通過模塊電源的熱測試，提升電源可靠性設(shè)計

　　以小體積著稱的模塊電源，正朝著低電壓輸入、大電流輸出，以及大的功率密度方向發(fā)展。但是，高集成度、高功率密度會使得其單位體積上的溫升越來越成為影響系統(tǒng)可靠工作、性能提升的最大障礙。統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，其可靠性下降10%，溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6。所以熱設(shè)計的目的就是要及時地排出熱量，并使產(chǎn)品的溫度處于一個合理的水平，保證元器件的熱應(yīng)力在最壞的環(huán)境溫度條件下依然不會超出規(guī)定值。對于非常看重可靠性的模塊電源來說，熱處理在其設(shè)計中已經(jīng)是必不可少的一環(huán)。

　　熱量的產(chǎn)生

　　想要探討熱設(shè)計方法，首先要清楚模塊電源溫升是如何產(chǎn)生的。根據(jù)能量守恒定律，電源的輸入總功率應(yīng)該等于其輸出的總功率，也即能量轉(zhuǎn)換效率（η）恒為100%，但是實際的情況是轉(zhuǎn)換效率（η=1-Ploss/Ptotal）都是小于100%的，也就是說會有一部分能量（Ploss）損失掉。那么損失的這一部分能量消耗在哪里了？除了很小的一部分變成電磁波向空中散播外，其余的都變成了熱能，促使其溫度提升。過高的溫度會使電源設(shè)備內(nèi)部元器件失效，整個設(shè)備的可靠性降低。

　　聯(lián)系損失功率與熱量的參數(shù)是熱阻（thermal resistance），它被定義為發(fā)熱器件向周圍熱釋放的“阻力”，正是由于這種“阻力”的存在，使得熱點（hot points）和四周產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產(chǎn)生電壓降一樣。不同的材質(zhì)的熱阻是不一樣的，熱阻越小，散熱就越強，其單位為℃/W。

　　熱量產(chǎn)生的處理

　　1 建模分析法

　　從上面的分析我們可以得到計算溫升的第一種方法：分別建立各部分元器件的損失功率和熱阻的模型，然后根據(jù)下面的公式求出該功率器件的溫升值。

　　計算溫升的一個基本表達式：

　　ΔΤ=RthJ-X·Рloss （1)

　　其中，ΔΤ=溫度差值或者溫升；RthJ-X =功率器件從結(jié)點到X的熱阻。

　　可以看出：既然元器件的損耗功率是產(chǎn)生熱量的根本原因，那么找出各個功率器件的損耗就成了解決熱處理的關(guān)鍵。現(xiàn)在以金升陽公司的一個12W、效率為91%的產(chǎn)品來說明。

圖1 12W自驅(qū)同步整流正激變換器原理圖

　　對于基于PWM的自驅(qū)同步整流正激變換器，一般應(yīng)用電路原理如圖1所示。

　　各功率器件的損耗如圖2所示。在圖2中，Pt是原邊變壓器損耗；Pl是輸出濾波電感的損耗；Pmos是MosFET的損耗；Pd1是整流二極管的損耗；Pd2是續(xù)流二極管的損耗；Pother是其他器件的損耗和。

圖2 功率器件損耗

　　現(xiàn)在，一些半導(dǎo)體器件廠商都能給出比較詳細的有關(guān)損耗的參數(shù)，而電源研發(fā)人員，也能在實際的工程中計算出功率器件實際的損耗，進而不斷地修正這些值，使得這些元器件的損耗能非常接近真實值。所以說要求出各功率器件在消耗一定功率產(chǎn)生的實際溫升，現(xiàn)在的關(guān)鍵就要考慮熱阻了。但是熱阻的值一般會受到以下因數(shù)的影響很大，如功率元器件的損耗，空氣流動的速度、方向、擾動的等級，鄰近功率元器件的影響，PCB板的方向等。所以一般熱測量的條件是很嚴格的?，F(xiàn)在先看看對于一個是用于自然風(fēng)冷，但四周密封且不用風(fēng)機的功率元器件的熱測試方法。功率元器件熱測試中的剖面圖如圖3所示。

圖3 熱測試中的功率器件結(jié)構(gòu)圖