半磚模塊電源的散熱設計

1、引言

DC-DC模塊電源是利用先進的制造工藝構成一個整體的、結構緊湊的、體積小的高質量穩(wěn)壓電源。因模塊電源使用簡單，構成系統(tǒng)時具有擴容方便、維修性好等優(yōu)點， 因此，被廣泛應用于航空航天、通信電源、汽車電子、電子儀器、電力控制等領域。這些模塊電源一般要求工作電源范圍較寬(3 6 V ～7 5 V)，輸出功率大(全磚模塊電源可達700W )，功率密度非常高，散熱設計是一個大問題。例如，一個輸出200W的半磚模塊電源，其轉換效率為89％，則有24．7w的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，半磚模塊電源會因過熱而損壞。因此，在大功率的模塊電源設計中，合理的散熱設計變得越來越重要。文中討論了36V～75V直流輸入、3．3V／60A輸出半磚電源模塊的散熱設計，分析了發(fā)熱器件的特性，給出了三種散熱設計方案，并對三種方案的工藝、成本、散熱性能等進行了對比。

2、半磚模塊電源的主要發(fā)熱器件

圖1給出了該大功率二次DC-DC電源模塊常用的有源箝位同步整流變換器電路，采用標準半磚模塊結構。這種電路拓樸中發(fā)熱最大器件是主開關管(Q1)、輸出同步整流管(Q3 、Q4 )、平板變壓器(T1 )和續(xù)流電感(L 1)。要解決這種電源的散熱問題，就必須想方設法使這些元器件到外界的散熱通道暢通，降低其熱阻。

3、200W半磚模塊電源在最壞情況下的功耗估算

電源模塊應注明最高工作溫度，其可靠性和工作壽命都與工作溫度成反比。在任何工作狀態(tài)下， 電源模塊不僅不能超過溫度極限，并且應留有足夠余量。

當電源模塊輸入電壓額定時，轉換效率為89％。在實際設計時，將該效率作為最壞情況下的效率。如果電源模塊滿載工作(Po=200W )，產生熱量的功耗Po為

200W半磚模塊電源將有24．7w的電能轉換成熱能，如果工作的環(huán)境達到55℃ 以上，又不加任何散熱措施，半磚模塊電源會因過熱而立即損壞。下面將介紹半磚模塊電源的散熱設計方案。

4、非鋁基板散熱方案

非鋁基板半磚模塊電源主要由一塊雙面貼多層PCB板和鋁外殼組成，所有控制芯片和功率器件都放置在這塊PCB上，其中平板變壓器、續(xù)流電感直接嵌入PCB上，PCB的器件布局密度較高。功率器件布局在PCB的頂層，通過導熱墊或導熱膠與鋁外殼進行熱傳導，最后在鋁殼額外加散熱器進行散熱或直接通過對流方式在空氣中進行散熱。PCB板厚度約3mm(包括FR-4基板、銅箔、表面處理、綠油在內)，層數約為12層，考慮到銅箔的輸出較大(達60A)，所以采用了4盎司銅箔厚度，滿足通流能力的要求。以下給出非鋁基板兩種散熱設計方案。

4．1功率MOS管到變壓器和續(xù)流電感之間加銅柱進行散熱

模塊電源中的所有大功率MOS管采用小型POWERpaKSO-8封裝(高約1mm)，而平板變壓器、續(xù)流電感的磁芯較高(高約3mm)，它們可通過導熱膠與頂層鋁殼進行散熱。因平板變壓器或續(xù)流電感中走線電流非常大，所以平板變壓器、續(xù)流電感、功率MOS管的工作溫度非常高。這種模塊電源的截面圖如圖2所示。

功率MOS管到平板變壓器、續(xù)流電感之間通過一段銅皮連接，其通過的電流很大，功率MOS管也不宜太靠近平板變壓器、續(xù)流電感，所以它們之間留出一段銅皮連接，其目的是為了分散兩種發(fā)熱器件之間產生的熱量。而PCB銅皮一般都做了綠油保護處理(防止PCB銅皮在高溫、潮濕環(huán)境下腐蝕)，而綠油的熱阻非常大，它與銅熱傳導系數比較如下：銅的熱傳導系數為400W／m℃；綠油的熱導系數為0．5W／m℃。

功率MOS管、變壓器及續(xù)流電感產生的熱量分別通過功率MOS管外殼、磁芯、續(xù)流電感磁芯、PCB銅皮(有綠油覆蓋)傳遞到填充的導熱膠上，再由導熱膠傳遞到鋁殼上，最后鋁殼通過對流或傳導方式將熱量散熱出去。如圖2所示，在功率MOS管和平板變壓器、續(xù)流電感之間的這段銅皮去綠油，并加銅柱處理，可以大大減小變壓器或續(xù)流電感、功率MOS管到外殼之間的熱阻，將變壓器、續(xù)流電感、功率MOS管產生熱量通過銅柱快速傳遞到上面的鋁殼，降低其熱應力，提高整個模塊電源的可靠性，如圖3所示。

功率MOS管到變壓器、續(xù)流電感之間加銅柱進行散熱設計有以下特點：

(1)功率M0s管、平板變壓器、續(xù)流電感及銅柱通過導熱膠傳遞到鋁殼；

(2)功率MOS管采用小型POWERpaK SO-8封裝，可減小PCB布局的密度，不需要過多減化電路的設計；

(3)發(fā)熱器件與鋁殼之間需要填充導熱膠，不需要填充導熱墊，用料成本相對較高；

(4)銅柱的高度與變壓器、續(xù)流電感的磁芯平齊，尺寸大小約為：3．8mm×3．8mm；

(5)銅柱在PCB板上的焊盤設計大小為(4～4．5)mm左右。

需要注意的是：整個電源模塊產生共有24．7w功耗，通過導熱膠與鋁外殼進行熱傳導，所以導熱膠的導熱系數直接影響整個電源模塊的散熱性能，因此一定要選取低熱阻的熱膠。

4、2采用D2pak封裝的MOS管反貼鋁殼進行散熱

模塊電源中的所有大功率MOS管采用D2pak封裝，將功率MOS管反向安裝在PCB板，功率MOS管背貼散熱鋁殼。

功率MOS管和變壓器、續(xù)流電感通過導熱墊與鋁殼直接連接，將其熱量以傳導方式傳遞到鋁殼，最后鋁殼通過對流或傳導方式將熱量散熱出去。．與上述方案比較，這種散熱設計中的功率MOS管、平板變壓器、續(xù)流電感到鋁殼的接觸熱阻更小。圖4給出了采用大封裝的MOS管貼鋁殼進行散熱設計圖示。

采用D2pak封裝的功率MOS管反貼鋁殼進行散熱設計有以下特點：

(1)功率MOS管和變壓器、續(xù)流電感通過導熱墊與鋁殼直接連接，散熱性能最佳；

(2)功率MOS管采用D pak封裝，成本較低。但D2pak封裝占大量PCB空間，大大增加了PCB布局的密度，需要簡化外圍電路設計，減小器件數量才能滿足PCB的布局要求；

(3)變壓器、續(xù)流電感磁芯的高度和功率MOS管的高度大體上要平齊，保證變壓器、續(xù)流電感，功率MOS管到鋁殼接觸緊密，減小接觸熱阻；

(4)發(fā)熱器件與鋁殼之間需要添加導熱墊，不需要填充導熱膠，用料成本相對較低；

(5)安裝D2pak封裝功率MOS管之前，需要對其管腳做反向成型處理，增加相關工序和人力成本，如圖5所示。

圖5D2pak封裝功率MOS管的管腳做反向成型處理：

(a)普通D2pak封裝功率MOS管及其安裝方式；

(b)反向成型后的D2pak封裝功率MOS管及其安裝方式。

5、鋁基板散熱方案

5、1鋁基板方案有兩層PCB結構

鋁基板方案具有兩層PCB結構如圖6所示。

(1)頂層采用散熱性能優(yōu)良的單面鋁基板。將發(fā)熱嚴重的變壓器、續(xù)流電感及功率MOS管直接焊在鋁基板上，器件與鋁基板直接接觸，熱阻更小。功率器件的電極通過連接銅柱引出到控制板上，以實現層間的電氣互連。變壓器、續(xù)流電感、功率MOS產生的熱量通過PcB銅層一介質層一鋁板，最后在鋁板上通過對流或傳導方式將熱量傳遞出去。

(2)底層采用FR-4基板，用以放置控制、驅動及保護電路和輔助電源。采用SMT元器件，通過連接銅柱與鋁基板功率部分進行信號傳輸。

采用兩層PCB結構可以提高模塊的功率密度，立體散熱可提高散熱效率；將發(fā)熱嚴重的功率器件和驅動、控制電路分開布局，以避免相互之間的影響。

5．2設計需要注意的事項

鋁基板的散熱效果與銅層、鋁板厚度、尺寸及絕緣介質的導熱性有關。設計需要注意的是：

(1)鋁基板的總板厚度為1．5ram(包括基板、銅箔、表面處理、綠油在內)，利于鋁殼均勻傳熱，

(2)鋁基板采用4盎司的銅箔厚，滿足功率器件的散熱和PCB銅皮的通流能力韻要求；

(3)鋁基板中的常用介質有HT、LTI、MP、CML四種材料，各介質材料的參數如表1所示(以美國貝格斯公司鋁基板為例)。根據應用環(huán)境條件來選擇采用哪種介質的鋁基板，如果要求電源在65℃條件下正常工作，最好采用HT-04503(耐高溫材料)介質鋁基板。

5．3采用鋁基板方案散熱設計的特點

(1)功率M0s管和變壓器、續(xù)流電感直接焊在鋁基板上，器件與鋁基板直接接觸，與非鋁基板兩種方案比較，鋁基板方案的熱阻最小。

(2)大電流的功率走線也在鋁基板上，PCB銅皮產生的熱量能及時傳遞到鋁殼，PCB銅皮的散熱性能較好。

(3)功率MOS管采用D0pak大封裝，成本較低。

(4) 非鋁基板方案采用多層PCB板走線來設計變壓器、續(xù)流電感，方案簡單、生產效率高、成本低。而鋁基板方案中的變壓器、續(xù)流電感單獨采用扁平的銅條繞制，制作工序較復雜，增加額外成本，并降低效率。

(5)變壓器和續(xù)流電感的磁芯與鋁基板之間需要加導熱墊，降低其接觸熱阻。

(6)非鋁基板方案使用一塊多層PCB板，而鋁基板方案中功率部分與控制部分嚴格分開，功率部分布局在單面鋁基板上，SMT表貼器件布局在雙面控制板上，不需要過多減化電路設計。

(7) 鋁基板方案需要一塊單面板(鋁基板)和一塊雙面板(控制板)，需要增加復雜的組裝工序和相關人力成本，對于模塊電源的安裝和維修帶來不便。對于大批量生產的模塊電源，非鋁基板方案的生產和組裝效率遠遠高于鋁基板方案。

6、總結

本文分析了36V～75V直流輸入、3．3V／60A輸出半磚電源模塊的散熱設計，給出了三種散熱設計方案，并對三種方案的工藝、成本、散熱性能等進行了對比。兩種非鋁板方案和鋁基板方案比較，各有優(yōu)缺點，具體應用需根據模塊電源的成本及應用環(huán)境等各方面的因素來選擇性價比最高的方案，今后這三種方案將同時發(fā)展，滿足低電壓、大電流DC-DC電源模塊的需要。