選擇磚形模塊電源時(shí)的散熱考慮

引言

當(dāng)前電子產(chǎn)品一方面向著輕、薄、小方向發(fā)展，另一方面向著功能更強(qiáng)大、更豐富方向迅速推進(jìn)，使得作為電子產(chǎn)品供電核心部件之一的模塊電源，在應(yīng)用板上可以使用的空間越來越小。在這種背景下，磚形模塊電源也從全磚、半磚、1/4磚、1/8磚、1/16磚一路不斷縮小。體積的減少顯著地影響著模塊電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用的各個(gè)方面，散熱就是其中重要的一點(diǎn)。

本文通過分析磚形模塊電源典型結(jié)構(gòu)形式來闡述不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)模塊電源散熱等性能的影響，以及相關(guān)的應(yīng)用解決方案。

磚形模塊電源的結(jié)構(gòu)形式可以按照印制板疊層(一般為上層和下層兩塊印制板)和多層印制板來劃分，也可以按照可以裝配散熱片和不可以裝配散熱片來劃分，表中列出了當(dāng)前磚形模塊電源的四種主要結(jié)構(gòu)形式。

印制板疊層的結(jié)構(gòu)形式中，上板一般選取雙面板或多層板(一般為四層板)，下板大多采用金屬基板。在一般的工業(yè)應(yīng)用中，由于受到成本的壓力，上板多選擇雙面板，但由于在多層板中可以鋪設(shè)大面積的接地覆銅，減小輻射干擾，因此對(duì)于電磁兼容要求較高的場(chǎng)合，采用多層板具有較大優(yōu)勢(shì)。金屬基板中商用化程度最高的是鋁基板，它在鋁板上直接敷絕緣聚合物，再在聚合物上敷銅，敷銅經(jīng)蝕刻后，形成印刷電路。鋁基板具有良好的散熱性能，以FR-4環(huán)氧板為例，同樣1.5mm厚的板材前者商用化的熱阻范圍約為0.5~2.0℃/W，而后者的熱阻范圍約為20~22℃/W，兩者相差十?dāng)?shù)倍。中電華星印制板疊層結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品下板均采用導(dǎo)熱性能優(yōu)。

良的鋁基板，包括平板變壓器、電感在內(nèi)的功率元器件直接焊接在鋁基板敷銅上，實(shí)現(xiàn)表面貼裝散熱。

多層印制板結(jié)構(gòu)形式中，功率器件集中布在背對(duì)引腳的一面，這主要是為了模塊安裝后，功率器件可以接受到更多的流動(dòng)空氣。在這種結(jié)構(gòu)中，功率器件主要通過封裝體與空氣的接觸面對(duì)流散熱以及通過引腳接觸的覆銅傳導(dǎo)散熱。雖然可以通過過孔使連接熱源的覆銅分布在多個(gè)層間，擴(kuò)大熱容和散熱面積，但由于裸露在印制板外面的覆銅面積不可能太大，因此總散熱面積較小，難以完成自然冷卻條件下較重負(fù)載的使用要求。下面對(duì)表1中各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較。

印制板疊層結(jié)構(gòu)形式和多層印制板結(jié)構(gòu)形式的比較

印制板疊層結(jié)構(gòu)形式和多層印制板結(jié)構(gòu)形式有比較大的差異：主要體現(xiàn)在散熱采用的條件、安裝方法和EMC等方面。

1. 散熱

印制板疊層的結(jié)構(gòu)形式中，功率器件主要散熱通道的熱阻構(gòu)成是：

Rjam=R1+R2+R3+R4

式中Rjam表示發(fā)熱器件內(nèi)部最高溫度點(diǎn)到空氣的熱阻，R1～R4分別表示器件內(nèi)部最高溫度點(diǎn)到器件與鋁基板接觸面的熱阻，鋁基板的熱阻，鋁基板和散熱片結(jié)合面的熱阻，散熱片對(duì)空氣的熱阻。當(dāng)模塊電源加工完成后R1+R2即成為常數(shù)，當(dāng)與散熱片接觸的材料選擇好并安裝完成后R3即成為常數(shù)，最后影響散熱效果的唯一變量為R4。影響R4的主要因素為散熱器的材質(zhì)、表面光潔度、表面積和流過散熱片表面的風(fēng)速，概括為散熱片和風(fēng)速。

多層印制板的結(jié)構(gòu)形式中，功率器件主要散熱通道的熱阻構(gòu)成是：

Rjas=(Rs1+Rs2)//(Rs3＋Rs4)

式中Rjas表示發(fā)熱器件內(nèi)部最高溫度點(diǎn)到空氣的熱阻，Rs1～Rs4分別表示器件內(nèi)部最高溫度點(diǎn)到器件與空氣接觸面的熱阻，器件與空氣接觸面到空氣的熱阻，器件內(nèi)部最高溫度點(diǎn)與器件引腳及其相連覆銅的熱阻，引腳及其相連覆銅到空氣的熱阻。當(dāng)電源模塊加工完成后Rs1和Rs3即成為常數(shù)，影響散熱效果的變量為Rs2和Rs4。而影響Rs2和Rs4的因素只有表面風(fēng)速和表面清潔度(因?yàn)榇藭r(shí)涉及到散熱表面的其他因素已經(jīng)由加工決定了)。

從圖可以看到當(dāng)R1+R2+R3>Rs1+Rs3時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)形式的熱阻會(huì)出現(xiàn)交點(diǎn)A。在A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速條件下，小于該風(fēng)速印制板疊層的熱阻小于多層印制板的熱阻；大于該風(fēng)速印制板疊層的熱阻大于多層印制板的熱阻。當(dāng)R1+R2+R3

另外從長(zhǎng)期使用過程中的散熱能力來看，如果空氣不清潔，多層板隨使用時(shí)間延長(zhǎng)功率器件表面灰塵的增厚會(huì)影響散熱效果。

但是從圖1也可以看到只要風(fēng)速合適，兩者散熱能力可以接近，因此在能夠提供一定風(fēng)速的情況下，多層印制板是一個(gè)重量輕，成本低的不錯(cuò)的選擇。

2. 安裝

印制板疊層的結(jié)構(gòu)形式至少提供兩個(gè)安裝螺柱，因此模塊除了通過引腳與應(yīng)用板連接外還可以通過螺釘將模塊和印制板裝配在一起。多層印制板的結(jié)構(gòu)形式只能通過引腳與應(yīng)用板連接，當(dāng)然也可以在印制板上提供安裝通孔，但是多層板將直接受力，對(duì)表貼元件不利。

因此印制板疊層的結(jié)構(gòu)形式抗振動(dòng)能力強(qiáng)，安裝牢固；多層印制板的結(jié)構(gòu)形式適合用在機(jī)械振動(dòng)較弱的場(chǎng)合使用。

3. EMC

采用多層印制板的模塊，變壓器和電感器可以采用印制線做繞組，繞組漏感低，耦合好。多層板內(nèi)層可以采用較大面積的接地覆銅，有利于降低輻射和濾除噪聲。而印制板疊層的結(jié)構(gòu)

形式，功率器件將向金屬基板傳遞出較強(qiáng)的共模干擾，在應(yīng)用中需要小心處理。因此多層印制板結(jié)構(gòu)的電磁兼容性優(yōu)于印制板疊層結(jié)構(gòu)。

塑料外殼和塑料引腳支架的比較

對(duì)于模塊防塵等級(jí)要求較高或者對(duì)于絕緣電壓要求較嚴(yán)的場(chǎng)合,可以采用塑料外殼的結(jié)構(gòu)形式。從散熱的角度看，塑料引腳支架的模塊，由于器件直接暴露在空氣中，所以熱點(diǎn)不但可以從鋁基板的一面散熱，還可以直接通過對(duì)流、輻射向空氣中散熱。因此在其他條件完全相同的情況下，采用塑料引腳支架的模塊散熱優(yōu)于采用塑料外殼的模塊。如果能在兩層印制板間形成風(fēng)道，塑料引腳支架式的模塊將是散熱能力最好的結(jié)構(gòu)形式。

多層板和多層板加散熱基板的比較

如前文所述，多層板在沒有加散熱基板的情況下，它的主要散熱方式是風(fēng)冷，通過風(fēng)直接帶走多層板上功率器件的熱量，加大風(fēng)速是增強(qiáng)散熱的唯一途徑。因此多層板不加散熱片無法在低風(fēng)速或自然冷卻條件下長(zhǎng)期較重負(fù)載工作。為了改善多層板在低風(fēng)速環(huán)境下的散熱能力，給應(yīng)用提供一個(gè)靈活選擇，產(chǎn)生了給多層板加裝散熱基板的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式配合適當(dāng)?shù)纳崞骺梢源蠓岣吣K在低風(fēng)速情況下的散熱能力，同時(shí)與印制板疊層式比較，由于功率器件引腳距離散熱基板的距離較大，寄生電容較小，因此共模干擾較小。多層板加散熱基板的結(jié)構(gòu)形式傳導(dǎo)散熱的能力上低于印制板疊層的結(jié)構(gòu)形式，但電磁兼容性能上優(yōu)于后者，是一個(gè)比較優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)形式。

通過比較可以看出，磚形模塊電源的各種結(jié)構(gòu)形式均有自己的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)成本、散熱、安裝和電磁兼容要求等優(yōu)化選擇。