方案設計選型小技巧：電源模塊發熱的原因與解決辦法

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

 

01 電源模塊發熱的4個常見原因          

 

電源模塊發熱問題會嚴重危害模塊的可靠性，使產品的失效率將呈指數規律增加。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象。    

 

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

 

1、使用的是線性電源導致發熱    

 

線性電源通過調節調整管RW改變輸出電壓的大小。由于調整管相當于一個電阻，電流經過電阻時會發熱，導致效率不高。   

 

線性電源原理圖    

 

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

 

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。建議在輸出端并聯一個假負載電阻。

    

 

負載太小，并聯假負載    

 

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壓器。  

   

 

負載過流，增加線性穩壓器    

 

4、環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。根據負載功率和實際的環境溫度進行降額設計。    

 

02 MOS設計選型          

 

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。在方案設計階段，做好MOS的選型功課，能有效避免電源模塊發熱。    

 

建議初選應按序考慮如下參數，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 實際工作環境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規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。故應取設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 實際工作環境中的最大周期漏極電流不大于規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，故應取器件在最大結溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。器件此參數的選擇是極為不確定的—主要是受工作環境，散熱技術，器件其它參數（如導通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據是結點溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據經驗，在實際應用中規格書目中之 ID 會比實際最大工作電流大數倍，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下面第六條的散耗功率約束不斷調整此參數。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。    

 

3、驅動要求    

 

MOSFEF 的驅動要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數決定。在滿足其它參數要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅動電路的設計。驅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，還要考慮體內二極管正向導通期間的損耗和轉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    

 

器件穩態損耗功率 PD,max 應以器件最大工作結溫度限制作為考量依據。如能夠預先知道器件工作環境溫度，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 是器件結點到其工作環境之間的總熱阻，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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