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电子应用中的潜在热源及各种热管理方法

关键词:电子应用 热管理

时间:2024-02-20 15:04:06      来源:PSD功率系统设计

电子元器件不喜欢在高温下运行。任何表现出内部自发热效应的元器件,都会导致自身和周围其他元器件的可靠性降低,长期过热甚至还可能导致印刷电路板(PCB)变形,降低与其他元器件的连接完整性,并影响走线阻抗。通常情况下,容易产生废热的元器件包括电源和各种形式的功率放大器[音频或射频(RF)],但现代片上系统(SoC)、电源转换模块和高性能微处理器也会产生大量内部热量。

作者:贸泽电子Mark Patrick

电子元器件不喜欢在高温下运行。任何表现出内部自发热效应的元器件,都会导致自身和周围其他元器件的可靠性降低,长期过热甚至还可能导致印刷电路板(PCB)变形,降低与其他元器件的连接完整性,并影响走线阻抗。通常情况下,容易产生废热的元器件包括电源和各种形式的功率放大器[音频或射频(RF)],但现代片上系统(SoC)、电源转换模块和高性能微处理器也会产生大量内部热量。

寻找热源

热管理是电子设计的一个重要方面,因为它有助于调节电子元器件的温度,防止过热造成损坏。一些电子元器件在日常运行中会产生热量,如果这些热量得不到充分散发,就会缩短它们的整体使用寿命,或造成永久性损坏。热管理的目标就是要让电子元器件维持在安全工作温度下,确保其长期可靠性和性能。产生的这些热量实际上是一种能量损失,表明能源没有得到充分利用。我们将在后文中了解到散热可以采用的各种方法,包括使用风扇实现强制风冷和使用散热器实现对流散热。

要实施热管理,就必须了解设计中采用的每个元器件的安全工作温度范围。数据手册中通常会给出温度下限和上限之间的范围,这个范围通常称为安全工作区(SOA),它定义了元器件能够可靠运行而不会出现不可预测行为或过早老化的温度范围。此外,电路正常工作的环境温度也是一个重要的考虑因素。

可能产生多余热量的应用和元器件包括以下几种:

电源转换:电源的作用是将电网的交流(AC)电压转换为较低的直流(DC)电压,这个过程中总会产生一些损耗。电源的效率通常因负载条件和转换器拓扑结构而异。例如,XP Power ASB160 160W AC/DC开关模式电源的最大满载电源效率为91%至93%。这一规格表明,160W的线路输入能量中最多有9%的能量(即14.4W)需要耗散。电源中可能的热源包括开关MOSFET、二极管和电感器。

电机驱动器:大功率工业电机栅极驱动器电路中的MOSFET会产生大量废热。半导体或集成模块的末级通常是主要热源,需要安装散热器和其他散热元器件。MOSFET或其他功率半导体在传导过程中的内部串联电阻可能并不大,但在大电流、高压应用中,它们产生的热量仍然会相当可观。

无源元器件自发热:许多人都知道电容器、电阻器和电感器等无源元器件会有内部自发热的问题。也许每个零件损失的能量都不多,但这些零件的使用量往往都很大,因而会成为重要的热源。

放大:任何基于半导体或模块的放大电路都会产生一定的热量,而音频和射频放大器是其中最主要的两种。放大器的效率和输入功率决定了需要耗散的最大热量。不同的放大器拓扑结构有不同的效率,因此必须要了解各种用例中可能的峰值功率以及放大器的工作效率。

PCB走线和互连:在峰值负载条件下,PCB走线的阻抗总是有可能产生热量。PCB走线的宽度和布局应根据最大工作条件进行计算,否则有可能出现局部发热、变形乃至起火。同样,电路板互连器件若长期负载过高,也会在连接器端子处产生热量,导致损坏乃至起火。

除了检查元器件数据手册中的安全工作温度和了解电路参数外,还可以使用热成像仪(图1)获取主要发热元器件的准确图像。


图1:显示重要热源的PCB热红外图像(图源:Teledyne Flir)

热对元器件可靠性的影响

高温会对元器件的可靠性产生巨大影响。图2所示为额定温度+85°C和+105°C的多层陶瓷电容器(MLCC)的预计寿命可靠性。从中可见,当工作温度为50°C时,额定温度+85°C的MLCC使用寿命为40年;如果平均工作温度升高10°C至60°C,那么它的使用寿命就会缩短至10年。


图2:温度对MLCC寿命的影响(图源:Murata)

对于任何系统,可靠性的量化标准都是平均故障间隔时间(MTBF),它是根据元器件可靠性参数计算出来的。过热会导致平均工作温度升高,进而降低元器件的MTBF。

此外,许多半导体元器件和电池都会出现热失控现象。在这种连锁反应现象中,电流会因温度升高而增大,这就形成了恶性循坏,从而导致元器件故障、系统过载和火灾。

热管理技术

散热有多种方式,包括传导和对流。传导是指热量(热能)从一个物体传递到另一个物体。将热能从高温元器件传导到低温物体,就可以降低元器件的温度。传导是最有效的热传递方法,因为它所需的表面积最小。

对流冷却利用移动的气流,将热量从物体带到周围的空气中。当空气带走热量时,会吸入更多的空气,从而增加气流并降低热源的温度。气流可以自然产生,也可以强制产生;例如,使用风扇就可以加快散热。此外,散热器可以增加元器件的有效表面积,提高散热量。

热阻抗和热界面材料

热阻抗衡量的是材料的导热效率,是热管理计算中的一个重要参数。例如,导热垫、凝胶和糊剂等热界面材料(TIM)可改善功率MOSFET之间的热传导。其中一些材料在导热的同时,还能实现电隔离。Würth Elektronik就可以提供多种这样的热界面材料(图3)。例如,WE-TINS系列是一种薄硅胶垫,可在电子元器件和散热组件之间实现电绝缘,同时促进热量传导;WE-TGFG系列在泡沫芯外包裹了一层合成石墨,是一种导热性高、不含硅胶的热扩散替代材料,可用于填充垂直间隙。


图3:Würth Elektronik提供的部分热界面材料(图源:Würth Elektronik)

此外,Panasonic也提供一系列热管理解决方案,EYG-R石墨垫就是其中的一款,具有安装简便、可靠性高和热阻低的特点,因为其一侧表面更加光滑,热接触更良好。这些石墨垫具有较高的可压缩性,能有效填充发热和散热器件之间的空隙,从而实现更好的热传导。

散热器

散热器有丰富多样的形状和尺寸。其中,既有专门设计用于特定功率半导体和IC/SoC封装的产品,也有其他适用于行业标准模块的产品,比如Advanced Thermal Solutions Inc.的ATS maxiFLOW系列散热器,就是专为全砖DC/DC转换器模块而设计的。

CUI Devices还提供各种适用于半导体封装和模块的散热器。为帮助用户进行选择,CUI还提供了散热器选择指南。

风扇

风扇可以提供流过PCB和散热器的强制气流。CUI Devices提供的此类产品包括变速直流离心式风扇和直流轴流式风扇,两者均采用omniCOOL轴承系统。

珀尔帖模块

珀尔帖(Peltier)热电模块可以冷却半导体和其他小型发热元器件,非常适合用在空间有限的外壳中。珀尔帖热电效应是指,当电流通过两种不同的导电材料时,热能也会在这两种材料之间流动。该效应由法国物理学家让•珀尔帖(Jean Peltier)发现,是塞贝克(Seebeck)效应的反效应。这些结构紧凑的模块通常使用P型和N型半导体颗粒,无需移动部件即可实现从热源到散热器的有效热传递。

图4所示即为热源和散热器之间的热能流动。CUI Devices提供一系列标准型和微型珀尔帖模块,可适应高达+77°C的温度梯度。


图4:使用珀尔帖模块时,从热源到散热器的温度梯度(图源:CUI Devices)

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