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(huì)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(jì)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(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。所以熱設(shè)計(jì)的目的就是要及時(shí)地排出熱量,，并使產(chǎn)品的溫度處于一個(gè)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(huì)超出規(guī)定值。對(duì)于非?？粗乜煽啃缘哪K電源來說,，熱處理在其設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(huì)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(huì)使電源設(shè)備內(nèi)部元器件失效,，整個(gè)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(diǎn)（hot points）和四周產(chǎn)生了一定的溫差,，就像電流流過電阻會(huì)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(qiáng),，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(jì)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(jì)算溫升的一個(gè)基本表達(dá)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(diǎn)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(gè)功率器件的損耗就成了解決熱處理的關(guān)鍵?，F(xiàn)在以金升陽公司的一個(gè)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(duì)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(xì)的有關(guān)損耗的參數(shù)，而電源研發(fā)人員,，也能在實(shí)際的工程中計(jì)算出功率器件實(shí)際的損耗,，進(jìn)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(shí)值,。所以說要求出各功率器件在消耗一定功率產(chǎn)生的實(shí)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(huì)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(dòng)的速度、方向,、擾動(dòng)的等級(jí),，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(yán)格的?，F(xiàn)在先看看對(duì)于一個(gè)是用于自然風(fēng)冷，但四周密封且不用風(fēng)機(jī)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

圖4  2R 模型

　　這樣就可以根據(jù)公式RJX=(TJ-TX)/Ploss求出結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻RthJA（RthJA=RthJS+RthSA）。有關(guān) RthJA的計(jì)算,，這里只介紹一種簡單的熱模型（Compact thermal model）2R模型,，即Two-Resistor Model。其理論依據(jù)如圖4所示,。

　　(2)

　　但是對(duì)于模塊電源來說,，我們一般把半成品封裝在外殼里，其簡要圖形如圖5所示,。

圖5 產(chǎn)品中功率器件結(jié)構(gòu)圖

　　圖5中陰影部分為硅膠,、樹脂等灌封料，其作用主要有兩個(gè)：一方面用于固定半成品,；另一方面用于傳導(dǎo)功率器件表面的溫度（散熱）,。所以從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻RthJA就可以表示為：

　　RthJA=[(RthJC1+RthC1E+RthEI+RthIC2+RthC2A)·(RthJT+RthTS+RthSB+RthBA)]/ [(RthJC1+RthC1E+RthEI+RthIC2+RthC2A)+
(RthJT+RthTS+RthSB+RthBA)]         (3)

 　　那么對(duì)應(yīng)于消耗了功率Ploss時(shí)結(jié)點(diǎn)的溫升就可以求出來了：

　　TJ=TA+Рloss·RthJA           (4)

　　其中，TA是功率元器件幾何中心在上表面的投影所點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值,。

　　不過,，式(4)成立還需要滿足以下條件：這個(gè)產(chǎn)品只有一個(gè)熱點(diǎn)(hot points)或者多個(gè)熱點(diǎn)（hot points）之間的熱傳導(dǎo)造成的影響很小或者可以忽略不計(jì)；該功率器件的熱量只參與向上或者向下傳遞,，而不考慮其他方向即滿足2R法,。

　　當(dāng)存在多個(gè)熱點(diǎn)并且溫度分布不均時(shí)，這時(shí)候考慮更多的就是靠經(jīng)驗(yàn)公式了,。而經(jīng)驗(yàn)公式也需要下面的方法來加以修正和完善,。

　　2 直接測量法

　　對(duì)溫升的測量,，還有一種測量方法也是比較簡單且現(xiàn)在常用的方法：直接測量法，即測量功率器件工作前以及達(dá)到熱平衡后對(duì)應(yīng)的溫度差值,。

　　理論上,，我們只需要保證芯片附近的環(huán)境溫度（TA）不超過結(jié)點(diǎn)溫度（TJ）就可以使芯片正常工作。但是實(shí)際并非如此,，TA這個(gè)參數(shù)是按照 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測試而得,，實(shí)際上產(chǎn)品幾乎不可能滿足這種測試條件。因此,，TA在這里對(duì)我們沒什么意義,。在這種情況下，保守的做法是保證芯片的殼體溫度 Tc﹤TA-max,，這樣芯片還是可以正常工作的,。但從可靠性的角度，我們最好要求Tc小于Tj-max按一定等級(jí)降額后的值,。對(duì)Tc的測量現(xiàn)在常用的做法有三種,。

　　（1）熱示指法（Temperature indicators）：直接用以熱試紙（Thermopaper）貼于功率器件的case處,，根據(jù)熱試紙表面的顏色讀出此時(shí)對(duì)應(yīng)的Tc值,。這種方法比較簡單，但是對(duì)于自然風(fēng)冷的產(chǎn)品來說,，貼上熱試紙則不利于散熱,，實(shí)際測出的值應(yīng)該是偏高的。

　?。?）紅外成像法(Thermal Imagine)：利用紅外成像的原理直接測量元器件在熱平衡的條件下的表面溫升,。如Fluke公司的Ti20或者FLIR Systems公司的產(chǎn)品等。

圖6 等溫面

圖7 正面熱像圖

圖8反面熱像圖

圖9 外殼表面溫度圖

　　圖6～9是利用Ti20拍攝的金升陽公司12W產(chǎn)品的熱圖像,。通過這些圖片,，我們不僅可以清晰地看出整體的熱分布（相同的溫度，所用的顏色是一致的）,，還可以借助其提供的軟件分析每一個(gè)元器件此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值,，如幾個(gè)溫度相對(duì)較高的元器件的溫度值分別如表1所示。

表1 功率器件損耗表

　　這種方法比較直觀地分析了各功率器件的溫升,，以及溫度的區(qū)域分布,。通過PCB板上整體溫度分布圖，我們可以根據(jù)熱點(diǎn)（hot points）調(diào)整不同元器件的分布,，如發(fā)熱量大的器件在PCB板上的布局應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對(duì)溫度敏感的元器件,，像電解電容等，并且發(fā)熱量大的元器件之間要有一定的距離,，這樣不至于形成新的熱點(diǎn)(hot points),。

　　（3）熱電偶法(Thermocouple),。實(shí)際中,，產(chǎn)品的功率器件并不直接裸露在空氣中，而是灌封或者塑封在一個(gè)金屬外殼或者塑料外殼里,，這樣元器件的溫升值就不能通過上面的兩種方式來測得,。此時(shí)我們可以采用熱電偶法，具體做法如下：利用點(diǎn)溫膠將熱電偶固定在離功率器件的節(jié)點(diǎn)較近的外殼上,，但是不要接觸到金屬外殼,。然后將半成品連同熱電偶一起封裝起來，分別測量T1（工作前溫度）,，T2（熱平衡后溫度）值,。這種方法可以直接透過模塊電源測量其內(nèi)部功率器件的實(shí)際溫度值，但由于用了點(diǎn)溫膠,，熱電偶與功率器件的殼（c1）形成一個(gè)新的熱阻,，并且粘住的熱電偶會(huì)傳導(dǎo)殼（c1）部分熱量，排除儀器的測量誤差,，實(shí)測溫度值會(huì)比真實(shí)值小,。

　　這三種溫度測量方法是各有其優(yōu)缺點(diǎn)的，實(shí)際使用過程中還要具體問題具體分析,，但是直接測量法最有助于完善建模分析法中考慮欠佳的地方,。