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电源模块热设计方案解析
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2017-11-14
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摘要：一摸电源模块的表面，热乎乎的，模块坏了？！且慢，有一点发热，仅仅只是因为它正努力地工作着。但高温对电源模块的可靠性影响极其大！我们须致力于做好热设计，减小电源表面和内部器件的温升。这一次，我们扒一扒电源模块的热设计。
高温对功率密度高的电源模块的可靠性影响极其大。高温会导致电解电容的寿命降低，变压器漆包线的绝缘特性降低，晶体管损坏，材料热老化，焊点脱落等现象。有统计资料表明，电子元件温度每升高2℃，可靠性下降10%。对于电源模块的热设计，它包括两个层面：降低损耗和改善散热条件。
一、元器件的损耗
损耗是产生热量的直接原因，降低损耗是降低发热的根本。市面上有些厂家把发热元件包在模块内部，使得热量散不出去，这种方法有点自欺欺人。降低内部发热元件的损耗和温升才是硬道理。
电源模块热设计的关键器件一般有：MOS管、二极管、变压器、功率电感、限流电阻等。其损耗如下：
1、 MOS管的损耗：导通损耗、开关损耗（开通损耗和关断损耗）；
2、 整流二极管的损耗：正向导通损耗；
3、 变压器、功率电感：铁损和铜损；
4、 无源器件（电阻、电容等）：欧姆热损耗。
二、热设计
在设计的初期，方案选择、元器件选择、PCB设计等方面都要考虑到热设计。
1、方案的选择
方案会直接影响到整体损耗和整体温升的程度。
2、元器件的选择
元器件的选择不仅需要考虑电应力，还要考虑热应力，并留有一定降额余量。降额等级可以参考《国家军用标准——元器件降额准则GJB/Z35-93》，该标准对各类元器件的各等级降额余量作了规定。设计一个稳定可靠的电源，实在不能任性，必须好好照着各元件的性子，设计、降额、验证。图 1为一些元件降额曲线，随着表面温度增加，其额定功率会有所降低。
图1 降额曲线
元器件的封装对器件的温升有很大的影响。如由于工艺的差异，DFN封装的MOS管比DPAK（TO252）封装的MOS管更容易散热。前者在同样的损耗条件下，温升会比较小。一般封装越大的电阻，其额定功率也会越大，在同样的损耗的条件下，表面温升会比较小。
设计中，要评估的电阻一般有MOS管的限流检测电阻、MOS管的驱动电阻等。限流电阻一般使用1206或更大的封装，多个并联使用。驱动电阻的损耗也需要考虑，否则可能导致温升过高。
高温对功率密度高的电源模块的可靠性影响极其大。高温会导致电解电容的寿命降低，变压器漆包线的绝缘特性降低，晶体管损坏，材料热老化，焊点脱落等现象。有统计资料表明，电子元件温度每升高2℃，可靠性下降10%。对于电源模块的热设计，它包括两个层面：降低损耗和改善散热条件。
一、元器件的损耗
损耗是产生热量的直接原因，降低损耗是降低发热的根本。市面上有些厂家把发热元件包在模块内部，使得热量散不出去，这种方法有点自欺欺人。降低内部发热元件的损耗和温升才是硬道理。
电源模块热设计的关键器件一般有：MOS管、二极管、变压器、功率电感、限流电阻等。其损耗如下：
1、 MOS管的损耗：导通损耗、开关损耗（开通损耗和关断损耗）；
2、 整流二极管的损耗：正向导通损耗；
3、 变压器、功率电感：铁损和铜损；
4、 无源器件（电阻、电容等）：欧姆热损耗。
二、热设计
在设计的初期，方案选择、元器件选择、PCB设计等方面都要考虑到热设计。
1、方案的选择
方案会直接影响到整体损耗和整体温升的程度。
2、元器件的选择
元器件的选择不仅需要考虑电应力，还要考虑热应力，并留有一定降额余量。降额等级可以参考《国家军用标准——元器件降额准则GJB/Z35-93》，该标准对各类元器件的各等级降额余量作了规定。设计一个稳定可靠的电源，实在不能任性，必须好好照着各元件的性子，设计、降额、验证。图 1为一些元件降额曲线，随着表面温度增加，其额定功率会有所降低。
图1 降额曲线
元器件的封装对器件的温升有很大的影响。如由于工艺的差异，DFN封装的MOS管比DPAK（TO252）封装的MOS管更容易散热。前者在同样的损耗条件下，温升会比较小。一般封装越大的电阻，其额定功率也会越大，在同样的损耗的条件下，表面温升会比较小。
设计中，要评估的电阻一般有MOS管的限流检测电阻、MOS管的驱动电阻等。限流电阻一般使用1206或更大的封装，多个并联使用。驱动电阻的损耗也需要考虑，否则可能导致温升过高。
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motong0123
2017-11-15
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