【導讀】現(xiàn)在電源模塊的體積越來越小，功率密度也越來越高，并且模塊的工作環(huán)境也愈發(fā)惡劣，其高低溫設計、熱設計以及應力問題逐漸引起了各位工程師的重視。電源模塊的可靠性設計有何秘籍？本文為你揭曉。
對于一個電源模塊來說，首先要滿足輸入電壓范圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波和噪聲等輸入輸出特性滿足使用要求。而在這之后各位工程師最常關注的參數(shù)便是其高低溫性能了。
高低溫測試
一般在不同的使用領域，對電源模塊的工作溫度范圍要求是不同的：
高低溫測試被用來確定產(chǎn)品在低溫、高溫兩個極端氣候環(huán)境條件下的適應性和一致性。因為元器件的特性在低溫、高溫的條件下會發(fā)生一定的變化，性能參數(shù)具有溫度漂移特性。所以往往很多電源模塊在常溫條件下沒有問題，但拿到高低溫環(huán)境測試就發(fā)現(xiàn)工作不正常或者性能參數(shù)明顯下降。
電源模塊低溫和高溫工作常常會造成以下現(xiàn)象：
● 工作振蕩，輸出電壓紋波和噪聲變大，頻率發(fā)生改變，嚴重的甚至輸出電壓跳變，模塊嘯叫；
● 啟動不良，如啟動時輸出電壓升上波形有明顯掉溝，輸出電壓不穩(wěn)定，甚至模塊完全啟動失效；
● 帶容性負載能力減弱，無法帶最大容性負載啟動；
● 啟動時輸出電壓過沖幅度變大，超出規(guī)定范圍；
● 重載或滿載工作時輸出電壓明顯降低；
● 高溫老化損壞，模塊沒有輸出；
熱設計
電源模塊的熱設計，簡單來說就是：通過熱設計在滿足性能要求的前提下盡可能減少模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，減少熱阻，選擇合理的冷卻方式。發(fā)熱元器件要盡可能使其分散布局。設計PCB板時要保證印制線的載流容量，印制線的寬度必須適于電流的傳導。對于大功率的貼片元器件，可以采用大面積敷銅箔的方式，以加大PCB的散熱面積。電源模塊內(nèi)部可通過填充導熱硅膠和樹脂等來降低模塊內(nèi)部元器件的溫升。對于體積較大的電源模塊，可以使用散熱片進行散熱，增加對流和輻射的表面積從而大大地改善了電子器件的散熱效果。
圖中展示的是尚未灌封的某電源模塊，常溫長時間工作后采用紅外熱成像儀測試其表面溫度。其中MOS管常溫不灌封實測的最高溫度為85.5℃，然后采用熱電偶配合數(shù)據(jù)采集儀對填充灌封膠的成品在高溫條件下測試其各種情況下的溫度，最高為97.2℃，對于最高溫度為175℃的MOS管，其溫度降額滿足Ⅰ級降額，性能可謂是比較優(yōu)異的。
降額設計
所謂的降額設計是使零部件的使用應力低于其額定應力的一種設計方法。將元器件進行降額使用使電子元器件的工作應力適當?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，具體降額等級可以參考《國家軍用標準——元器件降額準則GJB/Z35-93》，一般可分成三個降額等級：
應力設計
對于電源模塊的應力設計，重點關注場效應管(MOS管)、二極管、變壓器、功率電感、電解電容、限流電阻等。保證全電壓范圍內(nèi)在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、短路等各種極限條件下都能有足夠的降額，以保障產(chǎn)品的可靠性。例如對于某Vds最高電壓為100V的MOS管，作為電源模塊的主功率開關管，實測其在最高輸入電壓下的各種狀態(tài)(如圖1～3所示)，最高Vds=67.2V，降額因子0.672，滿足Ⅰ級降額，余量很充足。
圖1 穩(wěn)態(tài)工作時MOS管波形Vds_max=57.2V
圖2 輸出短路時MOS管波形Vds_max=67.2V
圖3 起機瞬態(tài)時MOS管波形Vds_max=59V
由于電源模塊越趨于小型化，功率密度相應越來越高，電源模塊有關熱設計方面的問題尤其突出。特別是對使用有電解電容的電源模塊，高溫會使電解電容的電解液加速消耗，大大減少電解電容的壽命。高溫會使元器件材料加速老化，例如使得變壓器漆包線的絕緣特性降低，導致絕緣耐壓不良甚至造成匝間短路。良好的熱設計不僅可延長電源模塊和其周圍元器件的使用壽命，還可使整個產(chǎn)品發(fā)熱均勻，減少故障的發(fā)生。
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