通過模塊電源的熱測試，提升電源可靠性設計

　　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可靠工作、性能提升的最大障礙。統計資料表明，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。所以熱設計的目的就是要及時地排出熱量，并使產品的溫度處于一個合理的水平，保證元器件的熱應力在最壞的環境溫度條件下依然不會超出規定值。對于非?？粗乜煽啃缘?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/news/listbylabel/label/模塊電源">模塊電源來說，熱處理在其設計中已經是必不可少的一環。

　　熱量的產生

　　想要探討熱設計方法，首先要清楚模塊電源溫升是如何產生的。根據能量守恒定律，電源的輸入總功率應該等于其輸出的總功率，也即能量轉換效率（η）恒為100%，但是實際的情況是轉換效率（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備內部元器件失效，整個設備的可靠性降低。

　　聯系損失功率與熱量的參數是熱阻（thermal resistance），它被定義為發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）和四周產生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產生電壓降一樣。不同的材質的熱阻是不一樣的，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 =功率器件從結點到X的熱阻。

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

圖1 12W自驅同步整流正激變換器原理圖

　　對于基于PWM的自驅同步整流正激變換器，一般應用電路原理如圖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

　　現在，一些半導體器件廠商都能給出比較詳細的有關損耗的參數，而電源研發人員，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生的實際溫升，現在的關鍵就要考慮熱阻了。但是熱阻的值一般會受到以下因數的影響很大，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。現在先看看對于一個是用于自然風冷，但四周密封且不用風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構圖