開關(guān)電源的可靠性熱設(shè)計分析

1引言
高功率密度是開關(guān)電源發(fā)展的方向之一,通過熱設(shè)計盡可能減少電源內(nèi)部產(chǎn)生的熱量、減少熱阻以提高效率外、選擇合理的冷卻方式是開關(guān)電源熱設(shè)計的基本任務(wù).開關(guān)電源除了電應(yīng)力之外,溫度是影響開關(guān)電源可靠性最重要的因素.開關(guān)電源內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效,當(dāng)溫度超過一定值時,失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加,溫度超過極限值時將導(dǎo)致元器件失效.溫度和故障率的關(guān)系是成正比的,可以用下式來表示:
F=Ae-E/KT
其中:F=故障率,A=常數(shù),E=功率,K=玻爾茲曼常量(8.63e-5eV/K),T=結(jié)點溫度.
為解決此問題可從兩方面入手:(1)從電路結(jié)構(gòu)上減少損耗,如采用更優(yōu)的控制方式和技術(shù),如高頻軟開關(guān)技術(shù)、移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等,另外就是選用低功耗的器件,減少發(fā)熱器件的數(shù)目,加大加粗印制線的寬度,提高電源的效率;(2)運用更有效的散熱技術(shù),利用傳導(dǎo)、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移,這包括采用散熱器、風(fēng)冷(自然對流和強迫風(fēng)冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法.在較大功率開關(guān)電源中的主要散熱方式是強制風(fēng)冷,因此提高強制風(fēng)冷效果的技術(shù)就成了研究的重點.合理的風(fēng)道設(shè)計和在散熱器前端加入擾流片引入紊流可顯著的提高散熱效果.
在盡量通過優(yōu)化設(shè)計等方式而減少功率開關(guān)發(fā)熱量的同時,一般還需要通過散熱器利用傳導(dǎo)、對流、輻射的傳熱原理,將器件產(chǎn)生的熱量快速釋放到周圍環(huán)境中去,以減少內(nèi)部熱累積,使元件工作溫度降低.
2 開關(guān)電源的散熱分析軟件
目前開關(guān)電源研究者用flotherm或icepak電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件進(jìn)行建模分析,但整個業(yè)界都還停留在傳統(tǒng)人力分析熱的階段.用軟件做熱設(shè)計是最近才在中國業(yè)界流行起來的,熱仿真不是無的放失,只有數(shù)據(jù)和模型提供的越準(zhǔn)確,結(jié)果才越能反應(yīng)真實情況,它主要是起一個指導(dǎo)作用.現(xiàn)在的電源行業(yè)要求體積小型化,原來的憑經(jīng)驗來設(shè)計散熱器遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展的需要.
FLOTHERM是一套由電子系統(tǒng)散熱仿真軟件先驅(qū)----英國FLOMERICS軟件公司開發(fā)并廣為全球各地電子電路設(shè)計工程師和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師使用的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件,全球排名第一且市場占有率高達(dá)80%以上.其最顯著的特點是針對電子設(shè)備的組成結(jié)構(gòu),提供熱設(shè)計組件模型,根據(jù)這些組件模型可以快速建立機箱,插框,單板,芯片風(fēng)扇,散熱器等電子設(shè)備的各組成部分.
FLOTHERM采用了成熟的CFD(Computational Fluid Dynamic計算流體動力學(xué))和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)開發(fā)而成,同時它還結(jié)合了FLOMERICS公司在電子設(shè)備傳熱方面的大量獨特經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫,并擁有大量專門針對電子工業(yè)而開發(fā)的模型庫.應(yīng)用FLOTHERM可以從電子系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境層、電子系統(tǒng)層、各電路板及部件層直至芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層等各種不同層次對系統(tǒng)散熱、溫度場及內(nèi)部流體運動狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、簡便的定量分析.它采用先進(jìn)的有限體積法處理結(jié)構(gòu),可以同時在三維結(jié)構(gòu)模型中模擬電子系統(tǒng)的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運動矢量,其中對散熱的三種狀態(tài)可以完全獨立分析.對于國防領(lǐng)域經(jīng)常碰到的多種冷卻介質(zhì)(如局部液冷)、有太陽輻射的戶外設(shè)備和必須要考慮器件之間局部遮擋的高精度輻射散熱計算等情況,FLOTHERM軟件的求解器更有完善的處理能力.FLOTHERM強大的前后處理模塊不但可以直接轉(zhuǎn)換各類主流MCAD和EDA軟件設(shè)計好的幾何模型以減少建立模型的時間,還可以將運算后的數(shù)據(jù)以溫度場平面等勢圖和流體運動三維動畫或報告等形式直觀方便地顯示出來.
flotherm 軟件基本可以分為前處理,求解,后處理三個部分.前處理包括project manager,drawing board和flogate.project manager 用于項目管理,物性參數(shù),網(wǎng)格參數(shù),計算參數(shù)的設(shè)定等.drawing board提供一個可視化的建立機柜,插框,單板,芯片幾何模型的界面和計算網(wǎng)格劃分的工具.通過在project manager和drawing board中的互動操作就可以完成具體的建摸操作.flogate是一個數(shù)據(jù)接口模塊,它可以把單板的裝配圖文件(IDF格式)導(dǎo)入flotherm,直接完成單板的建摸設(shè)計.求解器是flosolve模塊,它可以完成模型瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)的溫度場和流場計算.后處理部分包括Visulation,flomotion和table.Visulation完成仿真計算結(jié)果的可視化顯示flomotion除了也可以用于可視化顯示外,還可以制作流場的動化顯示,熱分析模型的大量計算數(shù)據(jù)如某區(qū)域的平均溫度,空氣流量等都可以通過table模塊查詢.
icepak是美國fluent公司通過集成ICEMCFD公司的網(wǎng)格劃分及后處理技術(shù)而開發(fā)成功的針對電子設(shè)備冷卻分析的專用熱設(shè)計軟件,具有以下優(yōu)點:
1)建模能力:除了有矩形,圓形建摸外,還有多種復(fù)雜形狀模型,如橢球體,多面體,管道及斜坡等模型有thin-conduction模型 ;
2)網(wǎng)格技術(shù):有結(jié)構(gòu)化,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;有四面體,有四面體六面體混合網(wǎng)格;能夠?qū)?fù)雜模型快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格;支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的non-conformal網(wǎng)格;
3)求解器;FLUENT求解器能夠求解多種流體介質(zhì)問題;能夠求解結(jié)構(gòu)化,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格問題,支持網(wǎng)格并行.
3散熱設(shè)計的一些基本原則
開關(guān)電源熱設(shè)計的基本程序是:
1)首先明確設(shè)計條件,如電源的功耗、發(fā)熱量、容許溫升、設(shè)備外形尺寸、設(shè)備放置的環(huán)境條件等;
2)決定電源的冷卻方式,并檢查是否滿足溫度條件;
3)分別對元件、線路、印制電路板和機箱進(jìn)行熱設(shè)計;
4)按熱設(shè)計檢查表進(jìn)行檢查,確定是否滿足設(shè)計要求.
4 印制電路板版的熱設(shè)計
從有利于散熱的角度出發(fā),印制板最好是直立安裝,板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則:
1)對于采用自由對流空氣冷卻的設(shè)備,最好是將集成電路(或其它器件)按縱長方式排列;對于采用強制空氣冷卻的設(shè)備,最好是將集成電路(或其它器件)按橫長方式排列.
2)同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信號晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的最上流(入口處),發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等)放在冷卻氣流最下游.
3)在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時對其它器件溫度的影響.
4)對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域(如設(shè)備的底部),千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方,多個器件最好是在水平面上交錯布局.
5)電源內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動,所以在設(shè)計時要研究空氣流動路徑,合理配置器件或印制電路板.空氣流動時總是趨向于阻力小的地方流動,所以在印制電路板上配置器件時,要避免在某個區(qū)域留有較大的空域.整機中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題.
5 電子芯片的熱設(shè)計
如何對產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計,首先我們可以從芯片廠家提供的芯片Datasheet為判斷的基礎(chǔ).下面將對Datasheet中和散熱有關(guān)的幾個重要參數(shù)進(jìn)行說明.
P—芯片功耗,單位W(瓦).功耗是熱量產(chǎn)生的直接原因.功耗大的芯片,發(fā)熱量也一定大.
Tc—芯片殼體溫度,單位℃.
Tj—結(jié)點溫度,單位℃.隨著結(jié)點溫度的提高,半導(dǎo)體器件性能將會下降.結(jié)點溫度過高將導(dǎo)致芯片工作不穩(wěn)定,系統(tǒng)死機,最終芯片燒毀.
Ta—環(huán)境溫度,單位℃.
Tstg—存儲溫度,單位℃.芯片的儲存溫度.
Rja—結(jié)點到環(huán)境的熱阻,單位℃/W.
Rjc—結(jié)點到芯片殼的熱阻,單位℃/W
Ψjt--可以理解為結(jié)點到芯片上表面的熱阻.當(dāng)芯片熱量只有部分通過上殼散出的時候的熱阻參數(shù).
LFM--風(fēng)速單位,英尺/分鐘.
由于IC封裝使測量無法接觸到結(jié)點,因此直接測量IC結(jié)溫比較困難.作為一種替代方法,可以利用結(jié)到外殼的熱阻( JC)和外殼到外部環(huán)境的熱阻( CA)計算結(jié)溫,如圖1所示.在確定IC的結(jié)溫時,熱阻是最重要的參數(shù): JA =JC +CA.

圖1. 利用熱阻計算IC結(jié)溫的熱狀態(tài)電模型
隨著熱設(shè)計的重要性不斷提高,大部分的芯片資料都會提供提供Tj、Rjc、P等參數(shù).基本公式如下:
Tj=Tc+Rjc×P
只要保證TjTjmax即可保證芯片正常工作.
歸根結(jié)底,我們只要能保證芯片的結(jié)點溫度不超過芯片給定的最大值,芯片就可以正常工作.
如何判斷芯片是否需要增加散熱措施:
1)搜集芯片的散熱參數(shù).主要有:P、Rja、Rjc、Tj等
2)計算Tcmax:Tcmax=Tj-Rjc×P
3)計算要達(dá)到目標(biāo)需要的Rca:Rca＝(Tcmax-Ta)/P
4)計算芯片本身的Rca’:Rca’=Rja-Rjc
如果Rca大于 Rca’,說明不需要增加額外的散熱措施.
如果Rca小于Rca’,說明需要增加額外的散熱措施.比如增加散熱器、增加風(fēng)扇等等.
如前所述,Rja不能用于準(zhǔn)確的計算芯片的溫度,所以這種方法只能用于簡單的判斷.而不能用于最終的依據(jù).
如UC3842A、UC3843A熱特性:

6 PCB表面貼裝電源器件的散熱設(shè)計
以Micrel公司表貼線性穩(wěn)壓器為例,介紹如何在僅使用一個印制電路板的銅鉑作為散熱器時是否可以正常工作.
1)系統(tǒng)要求:
VOUT=5.0V;VIN(MAX)=9.0V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=700mA;運行周期=100%;TA=50℃
根據(jù)上面的系統(tǒng)要求選擇750mA MIC2937A-5.0BU穩(wěn)壓器,其參數(shù)為:
VOUT=5V±2%(過熱時的最壞情況)
TJ MAX=125℃.采用TO-263封裝,θJC=3℃/W;
θCS≈0℃/W(直接焊接在電路板上).
2)初步計算:
VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V
PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W
溫度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃;熱阻θJA(最壞情況):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W.
散熱器的熱阻, θSA=θJA-(θJC+θCS);θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大).
3)決定散熱器物理尺寸:
采用一個方形、單面、水平具有阻焊層的銅箔散熱層與一個有黑色油性涂料覆蓋的散熱銅箔,并采用1.3米/秒的空氣散熱的方案相比較,后者的散熱效果最好.
采用實線方案,保守設(shè)計需要5,000mm2的散熱銅箔,即71mm×71mm(每邊長2.8英寸)的正方形.
4)采用SO-8和SOT-223封裝的散熱要求:
在下面的條件下計算散熱面積大小:VOUT=5.0V;VIN(MAX)=14V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=150mA;占空比=100%;TA=50℃.在允許的條件下,電路板生產(chǎn)設(shè)備更容易處理雙列式SO-8封裝的器件.采用MIC2951-03BM(SO-8封裝),可以得到以下參數(shù):
TJ MAX=125℃;θJC≈100℃/W.
5)計算采用SO-8封裝的參數(shù):
PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W;
升高的溫度=125℃-50℃=75℃;
熱阻θJA(最壞的情況):
ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W;
θSA=51-100=-49℃/W(最大).
顯然,在沒有致冷條件下,SO-8不能滿足設(shè)計要求.考慮采用SOT-223封裝的MIC5201-5.0BS調(diào)壓器,該封裝比SO-8小,但其三個引腳具有很好的散熱效果.選用MIC5201-3.3BS,其相關(guān)參數(shù)如下:
TJ MAX=125℃
SOT-223的熱阻θJC=15℃/W
θCS=0 ℃/W(直接焊在線路板上的).
6)計算采用SOT-223封裝的結(jié)果:
PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W
上升溫度=125℃-50℃=75℃;
熱阻θJA(最壞的情況):
ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W;
θSA=54-15=39℃/W(最大).根據(jù)以上的數(shù)據(jù),采用1,400 mm2的散熱銅箔(邊長1.5英寸的正方形)可以滿足設(shè)計要求.
以上的設(shè)計結(jié)果可以作為粗略的參考,實際設(shè)計中需要了解電路板的熱特性,得出更準(zhǔn)確、滿足實際設(shè)計的結(jié)果.
下表列出了普通表面安裝的熱阻額定值,詳見數(shù)據(jù)手冊.
表8典型的表面安裝的熱阻(單位:℃/W)
封裝RjaRjc
SOD123340150
SOT2355675
SOT2231597.5
SO-86321
SMB13
SMC11
DPAK806
D2PAK502
7 強迫風(fēng)冷散熱方式的分析
通常條件下,熱量的傳遞包括三種方式:傳導(dǎo)、對流和輻射.傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞,對流是借助流體的流動傳遞熱量,而輻射無需借助任何媒介,是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量.
強迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上,但是要增加風(fēng)機、風(fēng)機電源、聯(lián)鎖裝置等,這不僅使設(shè)備的成本和復(fù)雜性增加,而且使系統(tǒng)的可靠性下降,另外還增加了噪聲和振動,因而在一般情況下應(yīng)盡量采用自然冷卻,而不采用風(fēng)冷、液冷之類的冷卻方式.高頻變壓器和電感線圈應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線來抑制溫升.從經(jīng)驗來看,盡量保證磁體損耗和線圈銅損的相同,可使高頻變壓器的整體功耗最小,減小發(fā)熱量.
在實際應(yīng)用中,散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時使用.散熱器通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器,散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體,它的充分?jǐn)U展的表面使熱的輻射大大增加,同時流通的空氣也能帶走更大的熱能.風(fēng)扇的使用也分為兩種形式,一種是直接安裝在散熱器表面,另一種是安裝在機箱和機架上,提高整個空間的空氣流速.如果將溫度等效為電壓,將功率等效為電流,則圖1所示的熱模型類似于歐姆定律,V=I*R (歐姆定律) 散熱的計算有一個最基本的公式:
溫差 =功耗×熱阻