模塊電源的熱測試

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℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6。所以熱設(shè)計的目的就是要及時地排出熱量，并使產(chǎn)品的溫度處于一個合理的水平，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超出規(guī)定值。對于非?？粗乜煽啃缘哪K電源來說，熱處理在其設(shè)計中已經(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。過高的溫度會使電源設(shè)備內(nèi)部元器件失效，整個設(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（hot points）和四周產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產(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，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。
計算溫升的一個基本表達(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，也能在實際的工程中計算出功率器件實際的損耗，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值。所以說要求出各功率器件在消耗一定功率產(chǎn)生的實際溫升，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，空氣流動的速度、方向、擾動的等級，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)在先看看對于一個是用于自然風(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)點到環(huán)境的熱阻RthJA（RthJA=RthJS+RthSA）。有關(guān)RthJA的計算，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：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)
那么對應(yīng)于消耗了功率Ploss時結(jié)點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所對應(yīng)的溫度值。

不過，式(4)成立還需要滿足以下條件：這個產(chǎn)品只有一個熱點(hot points)或者多個熱點（hot points）之間的熱傳導(dǎo)造成的影響很小或者可以忽略不計；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)存在多個熱點并且溫度分布不均時，這時候考慮更多的就是靠經(jīng)驗公式了。而經(jīng)驗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)點溫度（TJ）就可以使芯片正常工作。但是實際并非如此，TA這個參數(shù)是按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)測試而得，實際上產(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按一定等級降額后的值。對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對應(yīng)的Tc值。這種方法比較簡單，但是對于自然風(fēng)冷的產(chǎn)品來說，貼上熱試紙則不利于散熱，實際測出的值應(yīng)該是偏高的。

（2）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元器件此時對應(yīng)的溫度值，如幾個溫度相對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

元器件的名稱?溫度值 (℃)
變壓器?88.3
輸出濾波電感?84.6
續(xù)流二極管?90.5
MosFET?76.9

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（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(hot points)。

（3）熱電偶法(Thermocouple)。實際中，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。此時我們可以采用熱電偶法，具體做法如下：利用點溫膠將熱電偶固定在離功率器件的節(jié)點較近的外殼上，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)部功率器件的實際溫度值，但由于用了點溫膠，熱電偶與功率器件的殼（c1）形成一個新的熱阻，并且粘住的熱電偶會傳導(dǎo)殼（c1）部分熱量，排除儀器的測量誤差，實測溫度值會比真實值小。

這三種溫度測量方法是各有其優(yōu)缺點的，實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。