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随着科技的进步,开关电源模块已经普遍运用在各类电子设备上,而且功率密度也在不断提高。不过其工作时会产生大量热量,当不能把这些热量及时排出并保持在一个合适度时,会影响开关电源的工作,严重的甚至发生损坏。尤其是功率密度高的电源模块,在高温时对其可靠性影响极大。主要原因是会导致内部电解电容寿命缩短、晶体管损坏、变压器漆包线绝缘特性降低、低熔点焊缝开裂、焊点脱落、元件材料老化、元件之间的机械应力增大等问题。
有研究资料表明,当电子元件温度每上升2度,其可靠性将会下降为10%。因此需要了解发热原因,设计解决方案。开关电源导致发热的原因主要是开关管、整流二极管、变压器、功率电感、无源器件电阻电容等关键器件的损耗,可以从两个方面入手解决。
第一个方面可从电路结构、器件上减少损耗,如在电路结构上可采用更优的控制方式和技术、同步整流技术、高频软开关技术、移相控制技术等。选择不同的技术方案,其关键器件温度也会有所不同。PCB的布局布线、铜皮面积、铜皮厚度、板材材质、PCB层数都会影响到电源模块散热。
在选择元器件上可优先选用低功耗的元件,减少发热器件的数量,加大加粗印制线的宽度,提高电源效率。元件的选择不仅需要考虑电应力、还需考虑热应力,并且留有一定降额余量。因为元件随着温度的增加,额定功率会降低。元件不同封装对器件的温升有很大的影响,如DFN封装的MOS管比DPAK封装的MOS管更容易散热。一般封装越大的电阻,额定功率越大,在同样的损耗的条件下,表面温升会较小。
第二个方面是可采用不同的散热方法,如利用传导、辐射、对流技术可将热量转移,包括使用散热器、散热膏、冷却风扇、风冷(自然对流、强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。在灌封类的模块中,因为灌封胶是一种良好的导热材料,所以内部元件的表明温升会进一步降低。
开关电源中发热元件的布局基本要求是按发热程度由小到大排列,发热量越小的元件排在风道风向的上风处,发热量越大的元件要靠近排气风扇,发热器件在PCB布局上应尽可能远离对温度敏感的元件。