PCB科技 - 高頻板開關電源的熱設計分析

1.簡介電子產品通常對工作溫度有嚴格的要求。 電源設備內部溫度上升過大，會導致溫度敏感的半導體器件、電解電容器等部件發生故障。 當溫度超過一定值時，故障率呈指數級新增。 統計資料顯示，電子元器件的可靠性每升高2°C，就會降低10%； 溫度升高50°C時的壽命僅為溫度升高25°C時壽命的1/6。 囙此，電子設備將滿足控制整個主機殼和內部部件溫昇的要求。 這是電子設備的熱設計。 對於具有大功率加熱裝置的高頻板開關電源來說，溫度是影響其可靠性的最重要因素。 囙此，對整體熱設計有著嚴格的要求。 完整的熱設計包括兩個方面：如何控制熱源產生的熱量； 如何消散熱源產生的熱量。 最終目標是如何將電子設備在達到熱平衡後的溫度控制在允許的範圍內。

2.加熱控制設計開關電源中的主要加熱元件是電晶體開關管（如MOSFET、IGBT、GTR、SCR等）、大功率二極體（如超快恢復二極體、肖特基二極體等）、高頻變壓器、濾波電感等磁性元件和假負載等。 每種加熱元件的發熱控制方法各不相同。2.1减少電源開關的發熱開關管是高頻開關電源中發熱較多的部件之一。 降低其熱量不僅可以提高開關管本身的可靠性，還可以降低整機溫度，提高整機效率和平均無故障時間。 （MTBF）。 開關管在正常工作時，處於導通和關斷兩種狀態，產生的損耗可細分為兩種臨界狀態引起的損耗和導通狀態引起的損失。 其中，導通損耗由開關管本身的導通電阻决定。 這種損耗可以通過選擇低導通電阻的開關管來减少。 MOSFET的導通電阻大於IGBT，但其工作頻率更高，囙此它仍然是開關電源設計的首選器件。 現在，IR新推出的IRL3713系列HEXFET（六邊形場效應電晶體）功率MOSFET已經實現了3m的導通電阻，使這些器件具有更低的導通損耗、柵極電荷和開關損耗。 美國APT公司也有類似的產品。 通過選擇開關速度更快、恢復時間更短的器件，也可以减少導通和關斷兩種關鍵狀態下的損耗。 但更重要的是通過設計更好的控制方法和緩衝科技來減少損失。 當開關頻率較高時，這種方法可以顯示出優點。 例如，各種軟開關科技可以使開關管在零電壓和零電流狀態下導通或關斷，從而大大降低這兩種狀態造成的損耗。 然而，從成本角度來看，一些製造商仍然使用硬開關科技，他們可以通過各種類型的緩衝科技來降低開關管的損耗並提高其可靠性。2.2减少功率二極體的發熱在高頻開關電源中，功率二極體有很多應用， 並且所選擇的類型也不同。 對於將輸入50Hz交流電整流為直流的功率二極體和緩衝電路中的快速恢復二極體，在正常情况下，不會有更好的控制科技來降低損耗，只能選擇高品質的器件，例如使用傳導電壓。 更低的肖特基二極體或超快恢復二極體，具有更快的關斷速度和軟恢復，以减少損耗和熱量。 高頻變壓器二次側的整流電路也可以採用同步整流管道，進一步降低整流壓降損失和發熱，但兩者都會新增成本。 囙此，製造商如何把握效能和成本之間的平衡，實現最高性價比是一個值得研究的問題。2.3减少高頻變壓器和濾波電感等磁性部件的發熱。各種磁性部件在高頻開關電源中不可或缺，如濾波器中的扼流圈， 儲能濾波電感器、隔離電源和高頻變壓器。 它們在工作過程中會產生或多或少的銅損失和鐵損失，這些損失以熱量的形式散發出來。 特別是對於電感器和變壓器來說，由於趨膚效應，線圈中流動的高頻電流會使銅損耗加倍，囙此電感器與變壓器造成的損耗成為不可忽略的部分。 囙此，在設計中，應使用多根薄漆包線進行並聯繞組，或使用寬而薄的銅片進行繞組，以减少趨膚效應的影響。 磁芯通常由高品質的鐵氧體資料製成，例如日本生產的TDK磁性材料。 在選型時應留有一定的餘量，以防止磁飽和。2.4降低假負載的發熱量為了避免空載狀態引起的電壓升高，大功率開關電源經常配備假負載高功率電阻器。 對於具有源PFC單元的電源來說尤其如此。 當開關電源工作時，虛擬負載必須通過少量電流，這不僅會降低開關電源的效率，而且其發熱也是影響整機熱穩定性的因素。 印刷板（PCB）上的假負載的位置通常非常靠近用於輸出濾波的電解電容器，並且電解電容器對溫度極為敏感。 囙此，有必要降低類比負載的熱值。 更可行的方法是將虛擬負載設計為可變阻抗方法。 通過檢測開關電源的輸出電流來控制偽負載阻抗的大小。 當電源處於正常負載時，偽負載退出電流消耗狀態； 當沒有負載時，偽負載消耗最大的電流。 這既不會影響電源在空載時的穩定性，也不會降低電源的效率並產生大量不必要的熱量。 散熱設計3.1散熱的基本方法及其計算方法散熱有三種基本管道：導熱、對流