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(dǎo)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,、低熔點(diǎn)焊縫開裂,、焊點(diǎn)脫落,、器件之間的機(jī)械應(yīng)力增大等現(xiàn)象。有統(tǒng)計(jì)資料表明,，電子元件溫度每升高2℃,，可靠性下降10%,。
一,、關(guān)鍵器件的損耗
表1是開關(guān)電源關(guān)鍵器件的熱損耗根源,，了解器件發(fā)熱原因,，為散熱設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，能快速定位設(shè)計(jì)方案,。
表1 主要元器件損耗根源
二、開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)
從表 1了解關(guān)鍵發(fā)熱器件和發(fā)熱的原因后,，可以從以下兩方面入手：
1,、從電路結(jié)構(gòu),、器件上減少損耗：如采用更優(yōu)的控制方式和技術(shù),、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,；
方案選擇優(yōu)化熱設(shè)計(jì)
圖1是同一個產(chǎn)品的熱效果圖，圖 1 中的A圖采用軟驅(qū)動技術(shù)方案,，圖 1 中的B圖采用直接驅(qū)動技術(shù)方案,，輸入輸出條件一樣,，工作30分鐘后測試兩個產(chǎn)品的關(guān)鍵器件溫度,，如表2所示, A圖關(guān)鍵器件MOS的溫度降幅是B圖的32%,，關(guān)鍵器件溫度降低同時，提高了產(chǎn)品的可靠性,，e所以采用高頻軟開關(guān)技術(shù)或者軟驅(qū)動技術(shù),，能大幅度降低關(guān)鍵器件的表面溫度。
圖1 采用不同驅(qū)動方案后的熱效果圖
表2 主要元器件損耗根源
器件選擇優(yōu)化熱設(shè)計(jì)
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,。圖2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。
圖2 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,。
有時，電路參數(shù)和性能看似正常,，但實(shí)際上隱藏很大的問題,。如圖3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,， MOS管的驅(qū)動電阻表面溫度居然達(dá)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,。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,。
圖3 驅(qū)動電阻表面溫度
PCB設(shè)計(jì)優(yōu)化熱設(shè)計(jì)
PCB的銅皮面積,、銅皮厚度,、板材材質(zhì),、PCB層數(shù)都影響到模塊的散熱,。常用的板材FR4（環(huán)氧樹脂）是很好的導(dǎo)熱材料，PCB上元器件的熱量可以通過PCB散熱,。特殊應(yīng)用情況下,，也有采用鋁基板或陶瓷基板等熱阻更小的板材。
PCB的布局布線也要考慮到模塊的散熱：
發(fā)熱量大的元件要避免扎堆布局,，盡量保持板面熱量均勻分布,；
熱敏感的元件尤其應(yīng)該遠(yuǎn)離熱量源；
必要時采用多層PCB,；
功率元件背面敷銅平面散熱,，并用“熱孔”將熱量從PCB的一面?zhèn)鞯搅硪幻妗?/p>
如圖4所示，上面兩圖為沒有采用此方法時,，MOS管表面溫度和背面PCB的溫度,；下面兩圖為采用“背面敷銅平面加熱孔”方法后，MOS管表面溫度和背面銅平面的溫度,，可以看出：
MOS管表面溫度由98.0℃降低了22.5℃,；
MOS管與背面的銅平面的溫差大大減小，熱孔的傳熱性能良好,。
圖4 背面敷銅加熱孔的散熱效果
2,、運(yùn)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(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷(水,、油),、熱電致冷、熱管等方法,。
熱設(shè)計(jì)時,，還須注意：
對于寬壓輸入的電源模塊，高壓輸入和低壓輸入的發(fā)熱點(diǎn)和熱量分布*不同,，需全面評估,。短路保護(hù)時的發(fā)熱點(diǎn)和熱量分布也要評估；
在灌封類電源模塊中,，灌封膠是一種良好的導(dǎo)熱的材料,。模塊內(nèi)部元件的表面溫升會進(jìn)一步降低。
三,、總結(jié)
除了上述提及的電源熱設(shè)計(jì)技巧之外,，還可以直接選用高性能的隔離DC-DC電源模塊，可快速為系統(tǒng)提供高靠性的供電隔離解決方案,。
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