即使是最好的电源转换系统, 效率也从不会达到100% . 少量未实现转换的能量将变为热量, 正是这些热量给系统可靠性带来挑战. 如果没有高效的散热管理, 功率晶体管或电阻等发热组件可能会在运行过程中出现过热, 从而导致早期故障, 或者在极端情况下由于超过其最大额定温度, 从而导致组件快速损坏.
可靠性遵循Arrhenius定律, 该定律鼓励采用冷却的方式来提高可靠性: 将组件的工作温度降低10°C, 可以使其寿命延长一倍. 此外, 采取措施确保较低的结温可以提高功率容量, 并允许电源能够在更宽泛/的环境温度范围内安全运行.
一小部分电能在进入功率晶体管后, 并没有传输到负载, 而是在每个器件的结上以热量的形式消散掉. 结温与消耗功率之间的关系见如下等式:
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
其中Tjmax为结温PDmax为消耗的最大功率Rθja为结到周围环境的热阻Ta为环境温度
在设计电源时, 其目标是要将结温的设计不仅可以保护器件, 还可以确保所需的可靠性. 可以使用器件的数据手册效率曲线来估算最大功耗, 同样, 结到周围环境的热阻Rθja可以从数据手册曲线中查到, 该曲线也考虑到了其他冷却效应, 例如PCB金属化程度和气流等因素.
在向负载提供所需功率时, 如果不能达到可接受的结温, 设计工作必须着重于减小Rθja. 可以使用一些技术途径来实现这一点, 这些包括:
封装的选择. 充分利用封装内在的增强特性, 如热效率较高的钳夹以取代传统的引线连接, 或在芯片下侧或上侧扩大金属化区域, 或在双侧进行双面冷却. 这些区域直接连接到散热片或外露的金属焊盘, 可以焊接到PCB金属化层或连接到散热器. 电路板的设计. 包括增加铜厚度, 或直接在连接到散热器 (如较重的金属化层) 的散热元件下面增加散热通孔. 如果需要非常高的散热, 也可以考虑绝缘的金属基板. 更多直接的热管理技术, 例如散热器或散热管道, 可能与冷却风扇配合使用.
现在的问题是, 这些技术中的哪些组合可以达到最佳效果, 如可接受的尺寸和重量以及对物料清单 (BOM) 成本的最小影响等等. 虽然没有一个明确的答案, 但非常明显的是散热解决方案的过度或不足都有不利的潜在后果.
通过构建多个原型设计来研究不同的热设计实际中并不可行. 另一方面, 如果发现选择的解决方案在项目的后期不合适, 重新设计电路板以添加额外的散热孔或改用其他的封装类型也可能是不切实际的.
幸运的是, 我们现在手头就有这种工具可帮助实现设计, 这种热仿真软件可以帮助工程师从系统角度审视热行为, 并在实现第一个原型设计之前确定问题区域.
一些热仿真的在线工具甚至可以免费提供, TI的WebTHERM™就是其中一例, 它可以对使用WEBENCH®在线环境创建的电源设计进行热分析. 使用选定的控制器或DC/DC转换器IC, 再加上电源输入和输出电压范围等要求, 电源可最初设计为一个WEBENCH项目.
基本设计完成后, WEBENCH可以估算材料清单并计算功率损耗和Rθja等参数, 这些参数可以配合已知的环境温度数据来手动计算Tjmax. 通过运行webTHERM仿真可以让用户以图形方式来查看热性能, 并且还可以显示一些辅助效果, 例如可能难以直观显示的组件共热效应. 仿真的结果是一个彩色温度曲线, 可帮助快速确定所需要关注的区域.
在运行仿真时, 用户需要输入负载电流, 顶部和底部环境温度以及设备外壳温度等参数设置. 热仿真可以在几分钟内完成运行, 得到的结果可以通过一个彩色温度曲线进行图形化分析. 如果需要, 可以在WEBENCH中更改设计, 通过更改任何PCB层上的电路板尺寸或铜材料特性, 或者添加和调整散热通孔, 能够进一步优化散热性能.
热仿真可以运行多次并将结果进行比较, 以确定实现温度可接受的设计. 如果无法确保合适的Tjmax, 则可以使用散热器或散热管道等额外的热管理功能, 以便更快地从系统中除去热量. 温度曲线可以帮助把重点集中在需要关注的区域.
添加散热器
散热器易于理解且非常可靠, 没有可移动部件, 无故障模式, 无需任何运行成本. 散热器通常采用铝或铜等材料, 它们的范围可以从用于单个晶体管的简单冲压金属翼, 到铣削或挤压部件, 其中翅片设计目的是拦截对流气流以实现最大传热. 随着热气流的上升, 对流自然会发生, 这可使气流持续存在. 必须要注意确保从入口到出口畅通无阻的气体流动, 并确保气流入口位于散热器水平面和气流出口的下方. 这可有助于防止热气流停滞在散热部件的上方, 以避免可能的结温上升加剧.
尽管散热器有许多优点, 但如果要实现大量散热, 其体积可能会很大, 非常笨重且成本高昂. 实现最佳气流的散热器位置可能会影响电路板布局, 散热器可能会被灰尘或污垢堵塞, 从而影响冷却效果. 使用钳夹或螺丝或一层热界面材料 (TIM) 将散热器正确连接到组件上, 也会增加组装时间.
Aavid Thermalloy 或 Wakefield-Vette等制造商能够提供各种各样的散热器, 其中包括经过优化以适应处理器或FPGA等特定组件的散热部件. 另一方面, 可以根据计算结果来选择散热器, 由于这些散热器可以降低芯片结到散热器周围空气的整体热阻抗Rθja, 因而能够在特定功率消耗下实现较低的结温.
图1所示为一个采用散热增强型封装的功率晶体管, 设计用于进行高效双面散热的顶部安装PCB散热器, 该系统被显示为在运行中的结与PCB板上方及下方周围环境之间热阻抗Rth的网络. 散热器的热阻Rth表示热量从散热器基板传递到周围环境的效率高低.
采用散热管道扩展设计自由度
在某些设计中, 由于整体尺寸, 电路板布局或气流阻碍的限制, 可能会不适于将所需尺寸的散热器直接连接到转换器IC或功率晶体管. 图2所示的散热管道可以提供一种实用的替代方案, 这种方案能够使热量从源头转移到另一个可放置合适散热器的位置, 可为散热提供更大的气流. 图中所示的部件Wakefield-Vette型号120231可以承受高达25W的热负荷, 但其尺寸仅为直径6mm×长度100mm.
散热管道本身不是散热器, 而是一个密封管道, 通过利用相变原理将热量从热端传递到冷端. 在热端, 通过吸收热量并蒸发管内的工作流体, 之后蒸汽流向冷端并冷凝成液体, 在此过程中释放热量. 液体然后返回到管道的热端并不断重复该过程. 散热管道的优点之一是不需要电力来维持该相变机制, 并且设计者可自由地将散热管道的冷端选在最合适的位置.
强制空气冷却
如果使用散热器或散热管道的被动热管理方式无法达到预期的结温, 则可考虑使用Delta Electronics等制造商的高品质风扇进行强制风冷. 通过选择风扇尺寸, 并通过调节风扇转速来增加或减少气流 (立方英尺/分 (CFM) ) , 可以实现优化而灵活的冷却效果.
结论
正确的散热管理对于最大限度地提高PCB板电源或DC/DC转换器的性能和可靠性至关重要. 设计师有大量可以使用的工具, 但必须避免过度设计, 以防止过大的体积, 过高的BOM成本或更加复杂的装配等难题. 准确的热仿真工具可以免费获得, 在开始构建硬件之前, 这些工具能够提供应对热管理挑战的可视化指南. 诸如客户定制的散热器, 散热管道或冷却风扇等其他技术可以帮助克服电路板布局或气流方面等其他方面的系统限制.