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选择砖形模块电源时的散热考虑

作者:广州市爱浦电子来源:原创 日期:2018年6月7日 09:04

选择砖形模块电源时的散热考虑

引言

当前电子产品一方面向着轻、薄、小方向发展,另一方面向着功能更强大、更丰富方向迅速推进,使得作为电子产品供电核心部件之一的模块电源,在应用板上可以使用的空间越来越小。在这种背景下,砖形模块电源也从全砖、半砖、1/4砖、1/8砖、1/16砖一路不断缩小。体积的减少显著地影响着模块电源设计和应用的各个方面,散热就是其中重要的一点。

本文通过分析砖形模块电源典型结构形式来阐述不同结构形式对模块电源散热等性能的影响,以及相关的应用解决方案。

砖形模块电源的结构形式可以按照印制板叠层(一般为上层和下层两块印制板)和多层印制板来划分,也可以按照可以装配散热片和不可以装配散热片来划分,表中列出了当前砖形模块电源的四种主要结构形式。

印制板叠层的结构形式中,上板一般选取双面板或多层板(一般为四层板),下板大多采用金属基板。在一般的工业应用中,由于受到成本的压力,上板多选择双面板,但由于在多层板中可以铺设大面积的接地覆铜,减小辐射干扰,因此对于电磁兼容要求较高的场合,采用多层板具有较大优势。金属基板中商用化程度最高的是铝基板,它在铝板上直接敷绝缘聚合物,再在聚合物上敷铜,敷铜经蚀刻后,形成印刷电路。铝基板具有良好的散热性能,以FR-4环氧板为例,同样1.5mm厚的板材前者商用化的热阻范围约为0.5~2.0/W,而后者的热阻范围约为20~22/W,两者相差十数倍。中电华星印制板叠层结构形式的产品下板均采用导热性能优。

良的铝基板,包括平板变压器、电感在内的功率元器件直接焊接在铝基板敷铜上,实现表面贴装散热。

多层印制板结构形式中,功率器件集中布在背对引脚的一面,这主要是为了模块安装后,功率器件可以接受到更多的流动空气。在这种结构中,功率器件主要通过封装体与空气的接触面对流散热以及通过引脚接触的覆铜传导散热。虽然可以通过过孔使连接热源的覆铜分布在多个层间,扩大热容和散热面积,但由于裸露在印制板外面的覆铜面积不可能太大,因此总散热面积较小,难以完成自然冷却条件下较重负载的使用要求。下面对表1中各种结构形式进行比较。

 

印制板叠层结构形式和多层印制板结构形式的比较

印制板叠层结构形式和多层印制板结构形式有比较大的差异:主要体现在散热采用的条件、安装方法和EMC等方面。

1. 散热

印制板叠层的结构形式中,功率器件主要散热通道的热阻构成是:

Rjam=R1+R2+R3+R4

式中Rjam表示发热器件内部最高温度点到空气的热阻,R1R4分别表示器件内部最高温度点到器件与铝基板接触面的热阻,铝基板的热阻,铝基板和散热片结合面的热阻,散热片对空气的热阻。当模块电源加工完成后R1+R2即成为常数,当与散热片接触的材料选择好并安装完成后R3即成为常数,最后影响散热效果的唯一变量为R4。影响R4的主要因素为散热器的材质、表面光洁度、表面积和流过散热片表面的风速,概括为散热片和风速。

多层印制板的结构形式中,功率器件主要散热通道的热阻构成是:

Rjas=(Rs1+Rs2)//(Rs3+Rs4)

式中Rjas表示发热器件内部最高温度点到空气的热阻,Rs1Rs4分别表示器件内部最高温度点到器件与空气接触面的热阻,器件与空气接触面到空气的热阻,器件内部最高温度点与器件引脚及其相连覆铜的热阻,引脚及其相连覆铜到空气的热阻。当电源模块加工完成后Rs1Rs3即成为常数,影响散热效果的变量为Rs2Rs4。而影响Rs2Rs4的因素只有表面风速和表面清洁度(因为此时涉及到散热表面的其他因素已经由加工决定了)

从图可以看到当R1+R2+R3>Rs1+Rs3时,两种结构形式的热阻会出现交点A。在A点对应的风速条件下,小于该风速印制板叠层的热阻小于多层印制板的热阻;大于该风速印制板叠层的热阻大于多层印制板的热阻。当R1+R2+R3<Rs1+Rs3时,印制板叠层的热阻始终小于多层板热阻。R1+R2+R3Rs1+Rs3是两种板型在风速无穷大,对流散热效率100%时各自热阻的理想趋近值。

另外从长期使用过程中的散热能力来看,如果空气不清洁,多层板随使用时间延长功率器件表面灰尘的增厚会影响散热效果。

但是从图1也可以看到只要风速合适,两者散热能力可以接近,因此在能够提供一定风速的情况下,多层印制板是一个重量轻,成本低的不错的选择。

2. 安装

印制板叠层的结构形式至少提供两个安装螺柱,因此模块除了通过引脚与应用板连接外还可以通过螺钉将模块和印制板装配在一起。多层印制板的结构形式只能通过引脚与应用板连接,当然也可以在印制板上提供安装通孔,但是多层板将直接受力,对表贴元件不利。

因此印制板叠层的结构形式抗振动能力强,安装牢固;多层印制板的结构形式适合用在机械振动较弱的场合使用。

3. EMC

采用多层印制板的模块,变压器和电感器可以采用印制线做绕组,绕组漏感低,耦合好。多层板内层可以采用较大面积的接地覆铜,有利于降低辐射和滤除噪声。而印制板叠层的结构

形式,功率器件将向金属基板传递出较强的共模干扰,在应用中需要小心处理。因此多层印制板结构的电磁兼容性优于印制板叠层结构。

塑料外壳和塑料引脚支架的比较

对于模块防尘等级要求较高或者对于绝缘电压要求较严的场合,可以采用塑料外壳的结构形式。从散热的角度看,塑料引脚支架的模块,由于器件直接暴露在空气中,所以热点不但可以从铝基板的一面散热,还可以直接通过对流、辐射向空气中散热。因此在其他条件完全相同的情况下,采用塑料引脚支架的模块散热优于采用塑料外壳的模块。如果能在两层印制板间形成风道,塑料引脚支架式的模块将是散热能力最好的结构形式。

多层板和多层板加散热基板的比较

如前文所述,多层板在没有加散热基板的情况下,它的主要散热方式是风冷,通过风直接带走多层板上功率器件的热量,加大风速是增强散热的唯一途径。因此多层板不加散热片无法在低风速或自然冷却条件下长期较重负载工作。为了改善多层板在低风速环境下的散热能力,给应用提供一个灵活选择,产生了给多层板加装散热基板的结构形式。这种结构形式配合适当的散热器可以大幅提高模块在低风速情况下的散热能力,同时与印制板叠层式比较,由于功率器件引脚距离散热基板的距离较大,寄生电容较小,因此共模干扰较小。多层板加散热基板的结构形式传导散热的能力上低于印制板叠层的结构形式,但电磁兼容性能上优于后者,是一个比较优秀的结构形式。

通过比较可以看出,砖形模块电源的各种结构形式均有自己的优点。在实际使用中应根据成本、散热、安装和电磁兼容要求等优化选择。

 

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