半磚模塊電源的散熱設(shè)計(jì)

1、引言

DC-DC模塊電源是利用先進(jìn)的制造工藝構(gòu)成一個(gè)整體的、結(jié)構(gòu)緊湊的、體積小的高質(zhì)量穩(wěn)壓電源。因模塊電源使用簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)具有擴(kuò)容方便、維修性好等優(yōu)點(diǎn)， 因此，被廣泛應(yīng)用于航空航天、通信電源、汽車電子、電子儀器、電力控制等領(lǐng)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(dá)700W )，功率密度非常高，散熱設(shè)計(jì)是一個(gè)大問題。例如，一個(gè)輸出200W的半磚模塊電源，其轉(zhuǎn)換效率為89％，則有24．7w的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，半磚模塊電源會(huì)因過熱而損壞。因此，在大功率的模塊電源設(shè)計(jì)中，合理的散熱設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，分析了發(fā)熱器件的特性，給出了三種散熱設(shè)計(jì)方案，并對三種方案的工藝、成本、散熱性能等進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)半磚模塊結(jié)構(gòu)。這種電路拓樸中發(fā)熱最大器件是主開關(guān)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(shè)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(yīng)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(yīng)留有足夠余量。

當(dāng)電源模塊輸入電壓額定時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為89％。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，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(chǎn)生熱量的功耗Po為

200W半磚模塊電源將有24．7w的電能轉(zhuǎn)換成熱能，如果工作的環(huán)境達(dá)到55℃ 以上，又不加任何散熱措施，半磚模塊電源會(huì)因過熱而立即損壞。下面將介紹半磚模塊電源的散熱設(shè)計(jì)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(dǎo)熱墊或?qū)崮z與鋁外殼進(jìn)行熱傳導(dǎo)，最后在鋁殼額外加散熱器進(jìn)行散熱或直接通過對流方式在空氣中進(jìn)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(nèi))，層數(shù)約為12層，考慮到銅箔的輸出較大(達(dá)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(shè)計(jì)方案。

4．1功率MOS管到變壓器和續(xù)流電感之間加銅柱進(jìn)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(dǎo)熱膠與頂層鋁殼進(jìn)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(chǎn)生的熱量。而PCB銅皮一般都做了綠油保護(hù)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(dǎo)系數(shù)比較如下：銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)為400W／m℃；綠油的熱導(dǎo)系數(shù)為0．5W／m℃。

功率MOS管、變壓器及續(xù)流電感產(chǎn)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(dǎo)熱膠上，再由導(dǎo)熱膠傳遞到鋁殼上，最后鋁殼通過對流或傳導(dǎo)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(chǎn)生熱量通過銅柱快速傳遞到上面的鋁殼，降低其熱應(yīng)力，提高整個(gè)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(jìn)行散熱設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

(1)功率M0s管、平板變壓器、續(xù)流電感及銅柱通過導(dǎo)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(shè)計(jì)；

(3)發(fā)熱器件與鋁殼之間需要填充導(dǎo)熱膠，不需要填充導(dǎo)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(shè)計(jì)大小為(4～4．5)mm左右。

需要注意的是：整個(gè)電源模塊產(chǎn)生共有24．7w功耗，通過導(dǎo)熱膠與鋁外殼進(jìn)行熱傳導(dǎo)，所以導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響整個(gè)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(jìn)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(dǎo)熱墊與鋁殼直接連接，將其熱量以傳導(dǎo)方式傳遞到鋁殼，最后鋁殼通過對流或傳導(dǎo)方式將熱量散熱出去。．與上述方案比較，這種散熱設(shè)計(jì)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(jìn)行散熱設(shè)計(jì)圖示。

采用D2pak封裝的功率MOS管反貼鋁殼進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

(1)功率MOS管和變壓器、續(xù)流電感通過導(dǎo)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(shè)計(jì)，減小器件數(shù)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(dǎo)熱墊，不需要填充導(dǎo)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(guān)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(jié)構(gòu)

鋁基板方案具有兩層PCB結(jié)構(gòu)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(yán)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(shí)現(xiàn)層間的電氣互連。變壓器、續(xù)流電感、功率MOS產(chǎn)生的熱量通過PcB銅層一介質(zhì)層一鋁板，最后在鋁板上通過對流或傳導(dǎo)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(qū)動(dòng)及保護(hù)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(jìn)行信號(hào)傳輸。

采用兩層PCB結(jié)構(gòu)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(yán)重的功率器件和驅(qū)動(dòng)、控制電路分開布局，以避免相互之間的影響。

5．2設(shè)計(jì)需要注意的事項(xiàng)

鋁基板的散熱效果與銅層、鋁板厚度、尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。設(shè)計(jì)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(nèi))，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(zhì)有HT、LTI、MP、CML四種材料，各介質(zhì)材料的參數(shù)如表1所示(以美國貝格斯公司鋁基板為例)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境條件來選擇采用哪種介質(zhì)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(zhì)鋁基板。

5．3采用鋁基板方案散熱設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

(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(chǎn)生的熱量能及時(shí)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(shè)計(jì)變壓器、續(xù)流電感，方案簡單、生產(chǎn)效率高、成本低。而鋁基板方案中的變壓器、續(xù)流電感單獨(dú)采用扁平的銅條繞制，制作工序較復(fù)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(dǎo)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(yán)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(shè)計(jì)。

(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(fù)雜的組裝工序和相關(guān)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(chǎn)的模塊電源，非鋁基板方案的生產(chǎn)和組裝效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁基板方案。

6、總結(jié)

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(shè)計(jì)，給出了三種散熱設(shè)計(jì)方案，并對三種方案的工藝、成本、散熱性能等進(jìn)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(diǎn)，具體應(yīng)用需根據(jù)模塊電源的成本及應(yīng)用環(huán)境等各方面的因素來選擇性價(jià)比最高的方案，今后這三種方案將同時(shí)發(fā)展，滿足低電壓、大電流DC-DC電源模塊的需要。