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電源模塊散熱問題玄機及設(shè)計流程要點

目錄:媒體報道星級:3星級人氣:-發(fā)表時間:2017-01-14 14:02:00
RSS訂閱 文章出處:跨越電子導熱硅膠片網(wǎng)責任編輯:NSW作者:NSW

  一摸電源模塊的表面,熱乎乎的,模塊壞了?!且慢,有一點發(fā)熱,僅僅只是因為它正努力地工作著。但高溫對電源模塊的可靠性影響極其大!我們須致力于做好熱設(shè)計,減小電源表面和內(nèi)部器件的溫升。這一次,我們扒一扒電源模塊的熱設(shè)計。 高溫會導致電解電容的壽命降低,變壓器漆包線的絕緣特性降低,晶體管損壞,材料熱老化,焊點脫落等現(xiàn)象。

高溫對功率密度高的電源模塊的可靠性影響極其大。高溫會導致電解電容的壽命降低,變壓器漆包線的絕緣特性降低,晶體管損壞,材料熱老化,焊點脫落等現(xiàn)象。有統(tǒng)計資料表明,電子元件溫度每升高2℃,可靠性下降10%。電源模塊屬于灌膠模塊類產(chǎn)品,基本都是由外殼、電路板、灌封膠(聚氨酯)組成。電源模塊由于是發(fā)熱類器件,在研發(fā)過程中需要嚴格測試其內(nèi)部元件的溫升,來保證電源模塊的使用壽命。   

對于電源模塊的熱設(shè)計,它包括兩個層面:降低損耗和改善散熱條件。   

一、元器件的損耗   

損耗是產(chǎn)生熱量的直接原因,降低損耗是降低發(fā)熱的根本。市面上有些廠家把發(fā)熱元件包在模塊內(nèi)部,使得熱量散不出去,這種方法有點自欺欺人。降低內(nèi)部發(fā)熱元件的損耗和溫升才是硬道理。   

電源模塊熱設(shè)計的關(guān)鍵器件一般有:MOS管、二極管、變壓器、功率電感、限流電阻等。其損耗如下:   

1、 MOS管的損耗:導通損耗、開關(guān)損耗(開通損耗和關(guān)斷損耗);   

2、 整流二極管的損耗:正向?qū)〒p耗;   

3、 變壓器、功率電感:鐵損和銅損;   

4、 無源器件(電阻、電容等):歐姆熱損耗。   

二、熱設(shè)計   

在設(shè)計的初期,方案選擇、元器件選擇、PCB設(shè)計等方面都要考慮到熱設(shè)計。前幾期我們已經(jīng)詳細介紹過PCB的散熱設(shè)計要點(PCB電路板散熱設(shè)計技巧全匯總),今天我們重點從元器件選擇來講解其對于電源模塊散熱設(shè)計有何影響?! ?/p>

1、方案的選擇   

方案會直接影響到整體損耗和整體溫升的程度。   

2、元器件的選擇   

元器件的選擇不僅需要考慮電應(yīng)力,還要考慮熱應(yīng)力,并留有一定降額余量。降額等級可以參考《國家軍用標準——元器件降額準則GJB/Z35-93》,該標準對各類元器件的各等級降額余量作了規(guī)定。設(shè)計一個穩(wěn)定可靠的電源,實在不能任性,必須好好照著各元件的性子,設(shè)計、降額、驗證。圖 1為一些元件降額曲線,隨著表面溫度增加,其額定功率會有所降低。

電源模塊散熱問題玄機及設(shè)計流程要點   

圖1 降額曲線   

元器件的封裝對器件的溫升有很大的影響。如由于工藝的差異,DFN封裝的MOS管比DPAK(TO252)封裝的MOS管更容易散熱。前者在同樣的損耗條件下,溫升會比較小。一般封裝越大的電阻,其額定功率也會越大,在同樣的損耗的條件下,表面溫升會比較小。   

設(shè)計中,要評估的電阻一般有MOS管的限流檢測電阻、MOS管的驅(qū)動電阻等。限流電阻一般使用1206(表示那個元件的長120mil,寬60mil)或更大的封裝,多個并聯(lián)使用。驅(qū)動電阻的損耗也需要考慮,否則可能導致溫升過高。

電源模塊散熱問題玄機及設(shè)計流程要點2  

有時,電路參數(shù)和性能看似正常,但實際上隱藏很大的問題。如圖 2所示,某電路基本性能沒有問題,但在常溫下,用紅外熱成像儀一測,不得了了,MOS管的驅(qū)動電阻表面溫度居然達到95.2℃。長期工作或高溫環(huán)境下,極易出現(xiàn)電阻燒壞、模塊損壞的問題??梢姡邪l(fā)過程中使用熱成像儀測試元器件的溫度尤其重要,可及時發(fā)現(xiàn)并定位問題點。通過調(diào)整電路參數(shù),降低電阻的歐姆熱損耗,且將電阻封裝由0603改成0805,大大降低了表面溫度。

電源模塊散熱問題

導熱硅膠材料在電源上主要應(yīng)用的部位:

1、電源主芯片:可根據(jù)電源芯片的功率進行劃分,大電源的主芯片一般要求會比較高,如UPS電源,由于其強大的供電功能,主芯片要承擔整個機體的工作強度,此時會聚集大量的熱,那么就需要我們導熱硅膠片材料充當良好的導熱介質(zhì)。

2、模絲管(MOS):模絲管是除了電源主芯片外,發(fā)熱量最大的元器件了,用到的導熱材料品種較多,例:矽膠布、導熱硅脂、導熱帽套、散熱硅膠片等材料。對于模絲管(MOS)而言主要是考慮導熱材料的絕緣性能,所以一般絕緣矽膠布是其首選。

3、 在灌封類電源模塊中,灌封膠是一種良好的導熱的材料。模塊內(nèi)部元件的表面溫升會進一步降低。即便如此,我們?nèi)砸獪y試高溫環(huán)境下內(nèi)部元件的表面溫升,來確保模塊的可靠性。

4、變壓器 :變壓器是能量轉(zhuǎn)換的工具,肩負著電壓,電流和電阻的轉(zhuǎn)換工作,然而由于變壓器的特殊性能,對導熱材料的應(yīng)用也會有特殊需求。

 
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