方案設(shè)計選型小技巧：電源模塊發(fā)熱的原因與解決辦法

電源模塊發(fā)熱是工程師常遇見的問題，其發(fā)熱原因和解決辦法有哪些呢？本文將盤點。  

 

01 電源模塊發(fā)熱的4個常見原因          

 

電源模塊發(fā)熱問題會嚴重危害模塊的可靠性，使產(chǎn)品的失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加。高溫會導致電解電容的壽命降低、變壓器漆包線的絕緣特性降低、晶體管損壞、材料熱老化、低熔點焊縫開裂、焊點脫落、器件之間的機械應力增大等現(xiàn)象。    

 

危害如此之大，需要馬上排查發(fā)熱原因，以下是電源模塊發(fā)熱常見的四個原因：    

 

1、使用的是線性電源導致發(fā)熱    

 

線性電源通過調(diào)節(jié)調(diào)整管RW改變輸出電壓的大小。由于調(diào)整管相當于一個電阻，電流經(jīng)過電阻時會發(fā)熱，導致效率不高。   

 

線性電源原理圖    

 

為了防止功率模塊嚴重發(fā)熱，解決方法是加大散熱器、空氣冷卻、添加導熱材料或開關(guān)電源。    

 

2、負載太小，不合適    

 

電源輕載，即電源電路負載阻抗比較大，這時電源對負載的輸出電流比較小。有些電源電路中不允許電源的輕載，否則會使電源電路輸出的直流工作電壓升高很多，造成對電源電路的損壞。一般電源模塊有最小的負載限制，各廠家有所不同，普遍為10%左右。建議在輸出端并聯(lián)一個假負載電阻。

    

 

負載太小，并聯(lián)假負載    

 

3、負載過流難題    

 

電源過載，與電源輕載情況恰好相反，就是電源電路的負載電路存在短路，使電源電路輸出很大的電流，且超出了電源所能承受的范圍。對于無過電流保護的電源模塊，輸出穩(wěn)壓、過電壓、過電流保護的解決方案是在輸入端外帶有過電流保護的線性調(diào)壓器。  

   

 

負載過流，增加線性穩(wěn)壓器    

 

4、環(huán)境溫度過高或散熱不良    

 

使用模塊電源前，務必考慮電源模塊的溫度等級和實際需要的工作溫度范圍。根據(jù)負載功率和實際的環(huán)境溫度進行降額設(shè)計。    

 

02 MOS設(shè)計選型          

 

在電源模塊中，功率MOSFET恐怕是工程師們最常用的器件之一了。在方案設(shè)計階段，做好MOS的選型功課，能有效避免電源模塊發(fā)熱。    

 

建議初選應按序考慮如下參數(shù)，選出適配的MOS器件：    

 

1、電壓應力    

 

在電源電路應用中，往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的 90% 。即：

 

VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS

 

注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS值作為參考。    

 

2、漏極電流    

 

其次考慮漏極電流的選擇。基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標稱最大漏源電流的 90% ；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標稱漏極脈沖電流峰值的 90% 即：

 

ID_max ≤ 90% * ID

 

ID_pulse ≤ 90% * IDP   

 

注：一般地， ID_max 及 ID_pulse 具有負溫度系數(shù)，故應取器件在最大結(jié)溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數(shù)（如導通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗，在實際應用中規(guī)格書目中之 ID 會比實際最大工作電流大數(shù)倍，這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。    

 

3、驅(qū)動要求    

 

MOSFEF 的驅(qū)動要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅(qū)動電路的設(shè)計。驅(qū)動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書中的建議值）    

 

4、損耗及散熱    

 

小的 Ron 值有利于減小導通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。    

 

5、損耗功率初算    

 

MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個部分：

 

PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover   

 

詳細計算公式應根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應用場合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時的反向恢復損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。    

 

6、耗散功率約束    

 

器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率： PD，max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a    

 

其中 Rθj-a 是器件結(jié)點到其工作環(huán)境之間的總熱阻，包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。

 

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