即使是最好的電源轉換系統, 效率也從不會達到100% . 少量未實現轉換的能量將變為熱量, 正是這些熱量給系統可靠性帶來挑戰. 如果沒有高效的散熱管理, 功率晶體管或電阻等發熱組件可能會在運行過程中出現過熱, 從而導致早期故障, 或者在極端情況下由於超過其最大額定溫度, 從而導致組件快速損壞.
可靠性遵循Arrhenius定律, 該定律鼓勵採用冷卻的方式來提高可靠性: 將組件的工作溫度降低10°C, 可以使其壽命延長一倍. 此外, 採取措施確保較低的結溫可以提高功率容量, 並允許電源能夠在更寬泛/的環境溫度範圍內安全運行.
一小部分電能在進入功率晶體管後, 並沒有傳輸到負載, 而是在每個器件的結上以熱量的形式消散掉. 結溫與消耗功率之間的關係見如下等式:
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
其中Tjmax為結溫PDmax為消耗的最大功率Rθja為結到周圍環境的熱阻Ta為環境溫度
在設計電源時, 其目標是要將結溫的設計不僅可以保護器件, 還可以確保所需的可靠性. 可以使用器件的數據手冊效率曲線來估算最大功耗, 同樣, 結到周圍環境的熱阻Rθja可以從數據手冊曲線中查到, 該曲線也考慮到了其他冷卻效應, 例如PCB金屬化程度和氣流等因素.
在向負載提供所需功率時, 如果不能達到可接受的結溫, 設計工作必須著重於減小Rθja. 可以使用一些技術途徑來實現這一點, 這些包括:
封裝的選擇. 充分利用封裝內在的增強特性, 如熱效率較高的鉗夾以取代傳統的引線連接, 或在晶片下側或上側擴大金屬化區域, 或在雙側進行雙面冷卻. 這些區域直接連接到散熱片或外露的金屬焊盤, 可以焊接到PCB金屬化層或連接到散熱器. 電路板的設計. 包括增加銅厚度, 或直接在連接到散熱器 (如較重的金屬化層) 的散熱元件下面增加散熱通孔. 如果需要非常高的散熱, 也可以考慮絕緣的金屬基板. 更多直接的熱管理技術, 例如散熱器或散熱管道, 可能與冷卻風扇配合使用.
現在的問題是, 這些技術中的哪些組合可以達到最佳效果, 如可接受的尺寸和重量以及對物料清單 (BOM) 成本的最小影響等等. 雖然沒有一個明確的答案, 但非常明顯的是散熱解決方案的過度或不足都有不利的潛在後果.
通過構建多個原型設計來研究不同的熱設計實際中並不可行. 另一方面, 如果發現選擇的解決方案在項目的後期不合適, 重新設計電路板以添加額外的散熱孔或改用其他的封裝類型也可能是不切實際的.
幸運的是, 我們現在手頭就有這種工具可幫助實現設計, 這種熱模擬軟體可以幫助工程師從系統角度審視熱行為, 並在實現第一個原型設計之前確定問題區域.
一些熱模擬的線上工具甚至可以免費提供, TI的WebTHERM™就是其中一例, 它可以對使用WEBENCH®線上環境建立的電源設計進行熱分析. 使用選定的控制器或DC/DC轉換器IC, 再加上電源輸入和輸出電壓範圍等要求, 電源可最初設計為一個WEBENCH項目.
基本設計完成後, WEBENCH可以估算材料清單並計算功率損耗和Rθja等參數, 這些參數可以配合已知的環境溫度數據來手動計算Tjmax. 通過運行webTHERM模擬可以讓用戶以圖形方式來查看熱性能, 並且還可以顯示一些輔助效果, 例如可能難以直觀顯示的組件共熱效應. 模擬的結果是一個彩色溫度曲線, 可幫助快速確定所需要關注的區域.
在運行模擬時, 用戶需要輸入負載電流, 頂部和底部環境溫度以及設備外殼溫度等參數設置. 熱模擬可以在幾分鐘內完成運行, 得到的結果可以通過一個彩色溫度曲線進行圖形化分析. 如果需要, 可以在WEBENCH中更改設計, 通過更改任何PCB層上的電路板尺寸或銅材料特性, 或者添加和調整散熱通孔, 能夠進一步優化散熱性能.
熱模擬可以運行多次並將結果進行比較, 以確定實現溫度可接受的設計. 如果無法確保合適的Tjmax, 則可以使用散熱器或散熱管道等額外的熱管理功能, 以便更快地從系統中除去熱量. 溫度曲線可以幫助把重點集中在需要關注的區域.
添加散熱器
散熱器易於理解且非常可靠, 沒有可移動部件, 無故障模式, 無需任何運行成本. 散熱器通常採用鋁或銅等材料, 它們的範圍可以從用於單個晶體管的簡單衝壓金屬翼, 到銑削或擠壓部件, 其中翅片設計目的是攔截對流氣流以實現最大傳熱. 隨著熱氣流的上升, 對流自然會發生, 這可使氣流持續存在. 必須要注意確保從入口到出口暢通無阻的氣體流動, 並確保氣流入口位於散熱器水平面和氣流出口的下方. 這可有助於防止熱氣流停滯在散熱部件的上方, 以避免可能的結溫上升加劇.
儘管散熱器有許多優點, 但如果要實現大量散熱, 其體積可能會很大, 非常笨重且成本高昂. 實現最佳氣流的散熱器位置可能會影響電路板布局, 散熱器可能會被灰塵或汙垢堵塞, 從而影響冷卻效果. 使用鉗夾或螺絲或一層熱界面材料 (TIM) 將散熱器正確連接到組件上, 也會增加組裝時間.
Aavid Thermalloy 或 Wakefield-Vette等製造商能夠提供各種各樣的散熱器, 其中包括經過優化以適應處理器或FPGA等特定組件的散熱部件. 另一方面, 可以根據計算結果來選擇散熱器, 由於這些散熱器可以降低晶片結到散熱器周圍空氣的整體熱阻抗Rθja, 因而能夠在特定功率消耗下實現較低的結溫.
圖1所示為一個採用散熱增強型封裝的功率晶體管, 設計用於進行高效雙面散熱的頂部安裝PCB散熱器, 該系統被顯示為在運行中的結與PCB板上方及下方周圍環境之間熱阻抗Rth的網路. 散熱器的熱阻Rth表示熱量從散熱器基板傳遞到周圍環境的效率高低.
採用散熱管道擴展設計自由度
在某些設計中, 由於整體尺寸, 電路板布局或氣流阻礙的限制, 可能會不適於將所需尺寸的散熱器直接連接到轉換器IC或功率晶體管. 圖2所示的散熱管道可以提供一種實用的替代方案, 這種方案能夠使熱量從源頭轉移到另一個可放置合適散熱器的位置, 可為散熱提供更大的氣流. 圖中所示的部件Wakefield-Vette型號120231可以承受高達25W的熱負荷, 但其尺寸僅為直徑6mm×長度100mm.
散熱管道本身不是散熱器, 而是一個密封管道, 通過利用相變原理將熱量從熱端傳遞到冷端. 在熱端, 通過吸收熱量並蒸發管內的工作流體, 之後蒸汽流向冷端並冷凝成液體, 在此過程中釋放熱量. 液體然後返回到管道的熱端並不斷重複該過程. 散熱管道的優點之一是不需要電力來維持該相變機制, 並且設計者可自由地將散熱管道的冷端選在最合適的位置.
強制空氣冷卻
如果使用散熱器或散熱管道的被動熱管理方式無法達到預期的結溫, 則可考慮使用Delta Electronics等製造商的高品質風扇進行強制風冷. 通過選擇風扇尺寸, 並通過調節風扇轉速來增加或減少氣流 (立方英尺/分 (CFM) ) , 可以實現優化而靈活的冷卻效果.
結論
正確的散熱管理對於最大限度地提高PCB板電源或DC/DC轉換器的性能和可靠性至關重要. 設計師有大量可以使用的工具, 但必須避免過度設計, 以防止過大的體積, 過高的BOM成本或更加複雜的裝配等難題. 準確的熱模擬工具可以免費獲得, 在開始構建硬體之前, 這些工具能夠提供應對熱管理挑戰的可視化指南. 諸如客戶定製的散熱器, 散熱管道或冷卻風扇等其他技術可以幫助克服電路板布局或氣流方面等其他方面的系統限制.