中心議題：

• 模塊電源熱量的產生
• 模塊電源熱量產生的處理

解決方案：

• 建模分析法
• 直接測量法

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係統可靠工作、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℃時的壽命隻有溫升25℃時的1/6。所suo以yi熱re設she計ji的de目mu的de就jiu是shi要yao及ji時shi地di排pai出chu熱re量liang，並bing使shi產chan品pin的de溫wen度du處chu於yu一yi個ge合he理li的de水shui平ping，保bao證zheng元yuan器qi件jian的de熱re應ying力li在zai最zui壞huai的de環huan境jing溫wen度du條tiao件jian下xia依yi然ran不bu會hui超chao出chu規gui定ding值zhi。對dui於yu非fei常chang看kan重zhong可ke靠kao性xing的de模mo塊kuai電dian源yuan來lai說shuo，熱re處chu理li在zai其qi設she計ji中zhong已yi經jing是shi必bi不bu可ke少shao的de一yi環huan。

熱量的產生

xiangyaotantaoreshejifangfa
，shouxianyaoqingchumokuaidianyuanwenshengshiruhechanshengde。genjunengliangshouhengdinglv，dianyuandeshuruzonggonglvyinggaidengyuqishuchudezonggonglv，yejinengliangzhuanhuanxiaolv（η）恒為100%，但是實際的情況是轉換效率（η=1-Ploss/Ptotal）都是小於100%的，也就是說會有一部分能量（Ploss）損(sun)失(shi)掉(diao)。那(na)麼(me)損(sun)失(shi)的(de)這(zhe)一(yi)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)在(zai)哪(na)裏(li)了(le)
？除(chu)了(le)很(hen)小(xiao)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)變(bian)成(cheng)電(dian)磁(ci)波(bo)向(xiang)空(kong)中(zhong)散(san)播(bo)外(wai)，其(qi)餘(yu)的(de)都(dou)變(bian)成(cheng)了(le)熱(re)能(neng)，促(cu)使(shi)其(qi)溫(wen)度(du)提(ti)升(sheng)。過(guo)高(gao)的(de)溫(wen)度(du)會(hui)使(shi)電(dian)源(yuan)設(she)備(bei)內(nei)部(bu)元(yuan)器(qi)件(jian)失(shi)效(xiao)
，整(zheng)個(ge)設(she)備(bei)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)降(jiang)低(di)。

聯係損失功率與熱量的參數是熱阻（thermalresistance），它被定義為發熱器件向周圍熱釋放的“阻力”，正是由於這種“阻力”的存在，使得熱點（hotpoints）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

從上麵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，然後根據下麵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
，那麼找出各個功率器件的損耗就成了解決熱處理的關鍵。


圖112W自驅同步整流正激變換器原理圖

對於基於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[page]

現xian在zai，一yi些xie半ban導dao體ti器qi件jian廠chang商shang都dou能neng給gei出chu比bi較jiao詳xiang細xi的de有you關guan損sun耗hao的de參can數shu
，而er電dian源yuan研yan發fa人ren員yuan
，也ye能neng在zai實shi際ji的de工gong程cheng中zhong計ji算suan出chu功gong率lv器qi件jian實shi際ji的de損sun耗hao
，進jin而er不bu斷duan地di修xiu正zheng這zhe些xie值zhi
，使shi得de這zhe些xie元yuan器qi件jian的de損sun耗hao能neng非fei常chang接jie近jin真zhen實shi值zhi。所suo以yi說shuo要yao求qiu出chu各ge功gong率lv器qi件jian在zai消xiao耗hao一yi定ding功gong率lv產chan生sheng的de實shi際ji溫wen升sheng，現xian在zai的de關guan鍵jian就jiu要yao考kao慮lv熱re阻zu了le。但dan是shi熱re阻zu的de值zhi一yi般ban會hui受shou到dao以yi下xia因yin數shu的de影ying響xiang很hen大da，如ru功gong率lv元yuan器qi件jian的de損sun耗hao，空kong氣qi流liu動dong的de速su度du、方向、擾動的等級
，鄰近功率元器件的影響，PCBbandefangxiangdeng。suoyiyibanreceliangdetiaojianshihenyangede。xianzaixiankankanduiyuyigeshiyongyuziranfengleng
，dansizhoumifengqiebuyongfengjidegonglvyuanqijiandereceshifangfa。gonglvyuanqijianreceshizhongdepoumianturutu3所示。


圖3熱測試中的功率器件結構圖

圖42R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，這裏隻介紹一種簡單的熱模型（Compactthermalmodel）2R模型，即Two-ResistorModel。其理論依據如圖4所示。


但是對於模塊電源來說，我們一般把半成品封裝在外殼裏
，其簡要圖形如圖5所示。

圖5產品中功率器件結構圖

圖5中陰影部分為矽膠

、樹脂等灌封料
，其作用主要有兩個：一方麵用於固定半成品

；另一方麵用於傳導功率器件表麵的溫度（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)

那麼對應於消耗了功率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麵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：這個產品隻有一個熱點(hotpoints)或者多個熱點（hotpoints）之間的熱傳導造成的影響很小或者可以忽略不計；該功率器件的熱量隻參與向上或者向下傳遞，而不考慮其他方向即滿足2R法。

當存在多個熱點並且溫度分布不均時，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麵的方法來加以修正和完善。[page]

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後對應的溫度差值。

理論上

，我們隻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。但是實際並非如此，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在這裏對我們沒什麼意義。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小於Tj-max按一定等級降額後的值。對Tc的測量現在常用的做法有三種。

（1）熱示指法（Temperatureindicators）：直接用以熱試紙（Thermopaper）貼於功率器件的case處
，根據熱試紙表麵的顏色讀出此時對應的Tc值。這種方法比較簡單，但是對於自然風冷的產品來說
，貼上熱試紙則不利於散熱，實際測出的值應該是偏高的。

（2）紅外成像法(ThermalImagine)：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麵溫升。如Fluke公司的Ti20或者FLIRSystems公司的產品等。


圖6等溫麵

圖7正麵熱像圖

圖8反麵熱像圖

圖9外殼表麵溫度圖[page]

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
MosFET76.9

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（hotpoints）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，並且發熱量大的元器件之間要有一定的距離，這樣不至於形成新的熱點(hotpoints)。

（3）熱電偶法(Thermocouple)。shijizhong，chanpindegonglvqijianbingbuzhijieluoluzaikongqizhong，ershiguanfenghuozhesufengzaiyigejinshuwaikehuozhesuliaowaikeli，zheyangyuanqijiandewenshengzhijiubunengtongguoshangmiandeliangzhongfangshilaicede。cishiwomenkeyicaiyongredianoufa，jutizuofaruxia：liyongdianwenjiaojiangredianougudingzailigonglvqijiandejiedianjiaojindewaikeshang
，danshibuyaojiechudaojinshuwaike。ranhoujiangbanchengpinliantongredianouyiqifengzhuangqilai
，fenbieceliangT1（工作前溫度），T2（熱平衡後溫度）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，但由於用了點溫膠，熱電偶與功率器件的殼（c1）形成一個新的熱阻，並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(zhe)三(san)種(zhong)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)是(shi)各(ge)有(you)其(qi)優(you)缺(que)點(dian)的(de)，實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)還(hai)要(yao)具(ju)體(ti)問(wen)題(ti)具(ju)體(ti)分(fen)析(xi)
，但(dan)是(shi)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)法(fa)最(zui)有(you)助(zhu)於(yu)完(wan)善(shan)建(jian)模(mo)分(fen)析(xi)法(fa)中(zhong)考(kao)慮(lv)欠(qian)佳(jia)的(de)地(di)方(fang)。