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可靠工作、性能提升的最大障礙。統計資料表明，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。所以熱設計的目的就是要及時地排出熱量，并使產品的溫度處于一個合理的水平，保證元器件的熱應力在最壞的環境溫度條件下依然不會超出規定值。對于非常看重可靠性的模塊電源來說，熱處理在其設計中已經是必不可少的一環。

熱量的產生
想要探討熱設計方法，首先要清楚模塊電源溫升是如何產生的。根據能量守恒定律，電源的輸入總功率應該等于其輸出的總功率，也即能量轉換效率（η）恒為100%，但是實際的情況是轉換效率（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備內部元器件失效，整個設備的可靠性降低。

聯系損失功率與熱量的參數是熱阻（thermal resistance），它被定義為發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）和四周產生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產生電壓降一樣。不同的材質的熱阻是不一樣的，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 =功率器件從結點到X的熱阻。

可以看出：既然元器件的損耗功率是產生熱量的根本原因，那么找出各個功率器件的損耗就成了解決熱處理的關鍵。現在以金升陽公司的一個12W、效率為91%的產品來說明。

圖1 12W自驅同步整流正激變換器原理圖

對于基于PWM的自驅同步整流正激變換器，一般應用電路原理如圖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

現在，一些半導體器件廠商都能給出比較詳細的有關損耗的參數，而電源研發人員，也能在實際的工程中計算出功率器件實際的損耗，進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生的實際溫升，現在的關鍵就要考慮熱阻了。但是熱阻的值一般會受到以下因數的影響很大，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格的。現在先看看對于一個是用于自然風冷，但四周密封且不用風機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構圖

圖4? 2R 模型

這樣就可以根據公式RJX=(TJ-TX)/Ploss求出結點到環境的熱阻RthJA（RthJA=RthJS+RthSA）。有關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 產品中功率器件結構圖

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；另一方面用于傳導功率器件表面的溫度（散熱）。所以從結點到環境的熱阻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)
那么對應于消耗了功率Ploss時結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的溫度值。

不過，式(4)成立還需要滿足以下條件：這個產品只有一個熱點(hot points)或者多個熱點（hot points）之間的熱傳導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驗公式了。而經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在常用的方法：直接測量法，即測量功率器件工作前以及達到熱平衡后對應的溫度差值。

理論上，我們只需要保證芯片附近的環境溫度（TA）不超過結點溫度（TJ）就可以使芯片正常工作。但是實際并非如此，TA這個參數是按照JEDEC標準測試而得，實際上產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，根據熱試紙表面的顏色讀出此時對應的Tc值。這種方法比較簡單，但是對于自然風冷的產品來說，貼上熱試紙則不利于散熱，實際測出的值應該是偏高的。

（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，以及溫度的區域分布。通過PCB板上整體溫度分布圖，我們可以根據熱點（hot points）調整不同元器件的分布，如發熱量大的器件在PCB板上的布局應盡可能遠離對溫度敏感的元器件，像電解電容等，并且發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。