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了解和改善电源模块的热性能

来源: 21ic
2021-11-25
类别:基础知识
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文章创建人 拍明芯城

原标题:了解和改善电源模块的热性能

  1.前言

  在大多数电源设计中,热性能至关重要。了解开关稳压器的局限性并了解如何充分利用它是优化系统性能不可或缺的一部分。

  电源模块发热问题会严重危害模块的可靠性,使产品的失效率将呈指数规律增加,电源模块发热严重该怎么办呢?高温对功率密度高的电源模块的可靠性影响比较大,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、低熔点焊缝开裂、焊点脱落、器件之间的机械应力增大等现象。

  在许多应用中,电源模块基板上的热量要经导热元件传导到较远的散热面上。这样,电源模块基板的温度将等于散热面的温度、导热元件的温升及两接触面的温升之和。导热元件的热阻与其长度成正比,与其截面积及导热率反比,选用适当的导热材料和截面积,也可以减小导热元件的热阻。

  在这篇文章中,我将解释如何解释降额曲线,我的目标是解释使用不同布局技术提高热性能的方法。

  2.解释降额曲线

  图 1 所示的降额曲线是许多电源设计的重要组成部分。

  降额曲线:端子、连接器由于本身存在接触电阻,当连续电流通过端子、连接器时,端子、连接器会发热,导致产品温度高于环境温度。这个升高的温度值,有的时候会影响设备的运行,极端情况可导致设备死机,着火等严重情况。因此在端子、连接器的设计使用过程,对温升有一个极限要求。如何限制产品使用过程中的温升过高呢,引入一个性能参数——最大电流测试容量或者降额曲线来限制使用环境温度或者输入电流值。

  给产品通一定大小的电流,测量环境温度tu和产品温度tb,产品温度和环境温度的差值,即可得到温升值。

  tb-tu=Δt

  使用降额曲线,除了快速查看各种环境温度下的额定输出电流外,我们还可以快速评估电源是否可以满足我们特定应用的要求。从图 1 可以看出,温度对电流的影响很明显,设备的安全工作区位于曲线下方,因为这条线代表了由温度定义的限制。

  我们可以从降额曲线中获得的知识类型如图 1 所示。图 1 显示了MicroSip 电源模块的几条降额曲线,每条曲线对应不同的结到环境热阻值,通常称为 Θ JA。我们会不会选择产生绿色曲线的电源模块,因为它具有最低的 Θ JA和最少的降额?

  

了解和改善电源模块的热性能


  图 1:MicroSiP 电源模块的降额曲线

  实际上,图 1 中的每条曲线在相同的工作条件下都使用相同的TPS82130 电源模块。只有印刷电路板 (PCB) 布局和气流发生了变化。你,设计师,选择你得到的降额曲线。这揭示了有关电源模块的一个关键事实:它们的热性能以及降额在很大程度上取决于设备的应用和使用情况,其中包括 PCB 布局和系统变量,例如气流。

  具体来说,图 1 中的红色曲线是使用标准的联合电子设备工程委员会 (JEDEC) PCB 设计生成的。虽然 JEDEC 的板定义用于生成器件数据表中的大多数热表,但 JEDEC 板对于最终应用来说并不是一种非常现实的板类型。

  3.如何优化电源模块的热性能

  图 2 显示了 JEDEC PCB 和更典型的应用 PCB 之间的一个差异:连接到设备引脚的铜的数量。JEDEC 设计中使用的极少量铜(以紫色显示)会产生不切实际的不良热性能。

  

了解和改善电源模块的热性能


  图 2:JEDEC PCB 使用非常薄的铜连接到设备的引脚

  3.结论

  通过在使用电源模块时专注于热设计,可以轻松实现比 JEDEC PCB 更好的性能。表 1 显示了使用不同数量的通孔、层和气流的几种设计选项。所有这些都是对 JEDEC PCB 设计的改进,通过较低的 Θ JA值和由此产生的较低工作温度来量化。只需通过 PCB 和系统设计,即可将工作温度降低近 50°C。虽然已解决了布局上的难题,但仍需要工程完成一些设计,以便通过合理的旁路和散热设计,最大限度地优化模块的性能。

  

了解和改善电源模块的热性能


  表 1:不同 PCB 设计的热性能比较


责任编辑:David

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