選擇磚形模塊電源時的散熱考慮

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)計和應(yīng)用的各個方面，散熱就是其中重要的一點。

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，因此對于電磁兼容要求較高的場合，采用多層板具有較大優(yōu)勢。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)部最高溫度點到空氣的熱阻，R1～R4分別表示器件內(nèi)部最高溫度點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)部最高溫度點到空氣的熱阻，Rs1～Rs4分別表示器件內(nèi)部最高溫度點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(因為此時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，兩種結(jié)構(gòu)形式的熱阻會出現(xiàn)交點A。在A點對應(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，多層板隨使用時間延長功率器件表面灰塵的增厚會影響散熱效果。

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，多層印制板是一個重量輕，成本低的不錯的選擇。

2. 安裝

印制板疊層的結(jié)構(gòu)形式至少提供兩個安裝螺柱，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，對表貼元件不利。

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

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

對于模塊防塵等級要求較高或者對于絕緣電壓要求較嚴(yán)的場合,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，所以熱點不但可以從鋁基板的一面散熱，還可以直接通過對流、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。在實際使用中應(yīng)根據(jù)成本、散熱、安裝和電磁兼容要求等優(yōu)化選擇。