如何提高开关电源的可靠性 开关电源的散热设计分析

如何提高开关电源的可靠性开关电源的散热设计分析

1引言

开关电源是各种系统的核心部分。开关电源的需求越来越大，同时对可靠

性提出了越来越高的要求。涉及系统可靠性的因素很多。目前，人们认识上的

主要误区是把可靠性完全(或基本上)归结于逊性的可靠性和制造装配的工

艺，忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。据美国海军电子实

验室的统计，整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

在民用电子产品领域,日本的统计资名表明，可靠性问题80%源于设计方

面(日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设

计上的原因)。以上两方面的数据表明，设计及元器件(元器件的选型，质量

级别的确定，元器件的负荷率)的原因造成的故障，在开关电源故障原因中占

80%左右。减少这两方面造成的开关电源故障，具有重要的意义。总之，这系

统的设计者而言，需要明确建立“可靠性”这个重要概念，把系统的可靠性作

为重要的技术指标，认真对待开关电源可靠性的设计工作，并采取足够的措施

提高开关电源的可靠性，才能使系统和产品达到稳定、可靠的目标。本文就从

这两个方面来研究与阐述。

2系统可靠性的定义及指标

国际上，通用的可靠性定义为：在规定条件下和规定的时间内，完成规定

功能的能力。此定义适用于一个系统，也适用于一台设备或一个单元。描述这

种随机事件的概率可用来作为表征开关电源可靠性的特征量和特征函数。从

而，引出可靠度［R(t)］的定义：系统在规定条件下和规定时间内，完成规

定功能的概率。

如系统在开始(t=0)时有n0个元件在工作，而在时间为t时仍有n人元

件在正常工作，

则

可靠性R(t)=n/nO0<R(t)

失效率X(t)=-dinR(t)/dt

X定义为该种产品在单位时间内的故障数，即入二dn/dt。

如失效率大为常数，则

dn/dt=-入t

n=nOe-入t

R（t）=e-XtO«t《工作寿命《t《工作寿命《p=“”》«/t《工作

寿命《t《工作寿命。

MTBF（平均无故障时间）=1/X

平均无故障时间（MTBF）是开关电源的一个直要指标，用来衡量开关电源

的可靠性。

3影响开关电源可靠性的因素

从各研究机构研究成果可以看出，环境温度和负荷率对可靠性影响很大，

这两个方面对开关电源的影响很大，下面将从这两方面分析，如何设计出高可

靠的开关电源。具中：巴）为使用功率；PR为额定功率主。UD为使用电压；UK

为额定电压。

3.1环境温度对元器件的影响

3.1.1环境温度对半导体IC的影响

硅.极管以PD/PR=0.5使用负荷设计，则环温度对可靠性的电响,如表2

所示。-----------------------------------------------------1由表2可

知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了30倍。

3.1.2环境温度对电容登的影响

以UD/UR=O.65使月负荷设计则环境温度对可靠性的影手如表3所示。

______________________________________________________从表3可知，当

环境温度Ta从20℃增力□至IJ80℃时,失效率增加了14倍。

3.1.3环境温度对电阻器的影响以PD/PRR.5使用负荷设计，则环境温

度对可靠性的影响如表4所示。

________________________________________________I从表4可知，当环境温度

Ta从20℃增加到80c时,失效率增加了4倍。

3.2负荷率对元器件的影响

3.2.1负荷率对半导体IC的影响

当环境温度为50℃时，PD/PR对失效率的影响如表5所示。

由表5可知，当PD/PR=0.8时，失效率比0.2时增加了1000倍。

3.2.2负荷率对电阻的影响负荷率对电阻的影响如表6所示。

从表6可以看出,当PD/PR=0.8时,失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。

4可靠性设计的原则

我们可以从上面的分析中得出开关电源的可靠性设计原则。

4.1可靠性设计指标应包含定量的可靠性要求。

4.2可靠性设计与器件的功能设计相结合，在满足器件性能指标的基础上，

尽量提高器件的可靠性水平。

4.3应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相应制约

因素进行综合平衡设计.

4.4在可靠性设计中尽可能采用国、内外成熟的新技术、新结构、新工艺和

新原理。

4.5对于关键性元器件，采用并联方式，保证此单元有足够的冗余度。

4.6原则上要尽一切可能减少元器件使用数目。

4.7在同等体积下尽量采用高额度的元器件。

4.8选用高质量等级的元器件。

4.9原则上不选用电解电容。

4.10对电源进行合理的热设计，控制环境温度，不致温度过高，导致元器

件失效率增加。

4.11尽量选用硅半导体器件，少用或不用错半导体器件。

4.12应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件，禁止选用塑料封装的

器件。

5可靠性设计

5.1负荷率的设计

由于负荷率对可靠性有重大影响，故可靠性设计重要的一个方面是负荷率

的设计，跟据元器件的特性及实践经验，元器件的负荷率在下列数值时，电源

系统的可靠性及成本是较优的。

5.1.1半导体元器件

半导体元器件的电压降额应在0.6以下，电流降额系数应在0.5以下。半

导体元器件除负荷率外还有容差设计，设计开关电源时，应适当放宽半导体元

器件的参数允许变化范围，包括制造容差、温度漂移、时间漂移、辐射导致的

漂移等。以保证半导体元器件的参数在一定范围内变化时，开关电源仍能正常

工作。

5.1.2电容器

电容器的负荷率（工作电压和额定电压之比）最好在0.5左右，一般不要

超过0.8,并且尽量使用无极性电容器。而且，在高频应用的情况下，电压降

额幅度应进一步加大，对电解电容器更应如此。应特别注意，电容器有低压失

效的问题，对于普通铝电解电容器和无极性电容的电压降额不低于0.3,但锂

电容的电压降额应在0.3以下。电压降额不能太多，否则电容器的失效率将上

升。

5.1.3电阻器、电位器

电阻器、电位器的负荷率要小于0.5,此为电阻器设计的上限值；但是大量

试验证明，当电阻器降额数低于0.1时，将得不到预期的效果，失效率有所增

加，电阻降额系数以0.1为可靠性降额设计的下限值。

总之，对各种元器件的负荷率只要有可能，一般应保持在0.3左右。最好

不要超过0.5。这样的负荷率，对电源系统造成K可靠的机率是非常小的。

5.2电源的热设计

开关电源内部过高的温升将会导致温度敏感的半导体器件、电解电容等元

器件的失效。当温度超过一定值时，失效率呈指数规律增加。有统计资料表

明，电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10M温升50℃时的寿命只有温

升25c时的1/6。除了电应力之外，温度是影响开关电源可靠性的最重要的因

素。高频开关电源有大功率发热器件，温度更是影响其可靠性的最重要的因素

之一，完整的热设计包括两个方面：一如何控制发热源的发热量；二如何将

热源产生的热量散出去。使开关电源的温升控制在允许的范围之内，以保证开

关电源的可靠性。下面将从这两个方面论述。

5.2.1控制发热量的设计

开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压

器、滤波电感等。不同器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电

源中发热量较大的器件之一，减小它的发热量，不仅可以提高功率管的可靠

性，而且可以提高开关电源的可靠性，提高平均无故障时间(MTBF)o开关管

的发热量是由损耗引起的，开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组

成，减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗；开关过

程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的，减小开关过程损耗可以选择开关

速度更快、恢复时间更短的器件来减少。但更为重要的是通过设计更优的控制

方式和缓冲技术来减小损耗，如采用软开关技术，可以大大减小这种损耗。减

小功率二极管的发热量，对交流整流及缓冲二极管，一般情况下不会有更好的

控制技术来减小损耗，可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。对于变压器

二次侧的整流可以选择效率更高的厘也整遍技术来减小损耗。对于高频磁性材

料引起的损耗，要尽量避免趋肤效应，对于趋肤效应造成的影响，可采用多股

细漆包线并绕的办法来解决。

5.2.2开关电源的散热设计

MOS管导通时有一定的压降，也即器件有一定的损耗，它将引起邈i的温

升，但是器件的发热情况与其耐热能力和散热条件有关。由此，器件功耗有一

定的容限。其值按热欧姆定律可表示为：

PD="Tj-Tc/RT”

式中，Tj是额定结温(Tj=150℃),Tc是壳温，RT是结到管壳间的稳态

热阻，门代表器件的耐热能力，Tc和RT代表器件的散热条件，而PD就是器

件的发热情况。它必须在器件的耐热能力和散热条件之间取得平衡。

散热有三种基本方式：热传导、热辐射、热对流。根据散热的方式，可以

选自然散热：加装散热器；或选择强制风冷：加装风扇。加装散热器主要利用

热传导和热对流，即所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过传导方式

传递给散热器，散热器上的热量再通过能流换热的方式由空气传递热量，进行

散热。

5.2.3电源的散热位其

散热仿真是开发电源产品以及提供产品材料指南一个重要的组成部分。优

化模块外形尺寸是终端设备设计的发展趋势，这就带来了从金属散热片向PCB

覆铜层散热管理转换的问题。当今的一些模块均使用较低的开关频率，用于开

关模式电源和大型无源组件。对于驱动内部电路的电压转换和静态电流而言，

线性稳压器的效率较低。

随着功能越来越丰富，性能越来越高，设备设计也变得日益紧凑，这时IC

级和系统级的散热仿真就显得非常重要了。一些应用的工作环境温度为70到

125℃,并且一些裸片尺寸车载应用的温度甚至高达140℃,就这些应用而言，

系统的不间断运行非常重要。进行电子设计优化时，上述两类应用的瞬态和静

态最坏情况下的精确散热分析正变得日益重要。

散热管理散热管理的难点在于要在获得更高散热性能、更高工作环境温度

以及更低覆铜散热层预算的同时，缩小封装尺寸。高封装效率将导致产生热量

组件较高的集中度，从而带来在TC级和封装级极高的热通量°系统中需要考

虑的因素包括可能会影响分析器件温度、系统空间和气流设计•/限制条件等其他

一些印刷电路板功率器件。散热管理要考虑的三个层面分别为：封装、电路板

和系统（请参见图1）0

图IIC封装中典型的热传递路径低成本、小外形尺寸、模块集成和封装

可靠性是选择封装时需要考虑的几个方面。由于成本成为关键的考虑因素，因

此基于引线框架的散热增强封装正日益受到人们的青睐。这种封装包括内嵌散

热片或裸露焊盘和均热片型封装，设计旨在提高散热性能。在一些表面贴装封

装中，一些专用引线框架在封装的每一面均熔接几条引线，以起到均热器的作

用。这种方法为裸片焊盘的热传递提供了较好的散热路径。

TC与封装散热仿真

散热分析要求详细、准确的硅芯片产品模型和外壳散热属性。半导体供应

商提供硅芯片IC散热机械属性和封装,而设备制造商则提供模块材料的相关

信息。产品用户提供使用环境资料。这种分析有助于IC设计人员对电源FET

尺寸进行优化，以适用于瞬态和静态运行模式中的最坏情况下的功耗。在许多

电源电子1C中，电源FET都占用了裸片面积相当大的一部分。散热分析有助

于设计人员优化其设计。选用的封装一般会让部分金属外露，以此来提供硅芯

片到散热器的低散热阻抗路径。模型要求的关键参数如下：

硅芯片尺寸纵横比和芯片厚度。

功率器件面积和位置，以及任何发热的辅助驱动电路。

电源结构厚度（硅芯片内分散情况）。

硅芯片连接至外露金属焊盘或金属突起连接处的裸片连接面积与厚度。可

能包括裸片连接材料气隙百分比。

外露金属焊盘或金属突起连接处的面积和厚度。

使用铸模材料和连接引线的封装尺寸。

需提供模型所用每一种材料的热传导属性。这种数据输入还包括所有热传

导属性的温度依赖性变化，这些传导属性具体包括：

硅芯片热传导性

裸片连接、储模材料的热传导性

金属焊盘或金属突起连接处的热传导性。

封装类型（packageproduct）和PCB相互作用

散热仿真的一个至关重要的参数是确定焊盘到散热片材料的热阻，其确定

方法主要有以下几种：

多层FR4电路板（常见的为四层和六层电路板）

单端电路板

顶层及底层电路板

散热和热阻路径根据不同的实施方法而各异：

连接至内部散热片面板的散热焊盘或突起连接处的散热孔。使用焊料将外

露散热焊盘或突起连接处连接至PCB顶层。

位于外露散热焊盘或突起连接处下方PCB上的一个开口，可以和连接至模

块金属外壳的伸出散热片基座相连。

利用金属螺钉将散热层连接至金属外壳的PCB顶部或底部覆铜层上的散热

片。使用焊料将外露散热焊盘或突起连接处连接至PCB的顶层。

另外，每层PCB上所用镀铜的重量或厚度非常关键。就热阻分析而言，连

接至外露焊盘或突起连接处的各层直接受这一参数的影响。一般而言，这就是

多层印刷电路板中的顶部、散热片和底部层。大多数应用中，其可以是两盎司

重的覆铜（2盎司铜=2.8mils或71Pm）外部层，以及1盎司重的覆铜（1盎

司铜=1.4mils或35Pm）内部层，或者所有均为1盎司重的覆铜层。在消费

类电子应用中，一些应用甚至会使用0.5盎司重的覆铜（0.5盎司铜二0.7

mils或18Mm）层。

模型资料仿真裸片温度需要一张TC平面布置图，其中包括裸片上所有的

电源FET以及符合封装焊接原则的实际位置。每一个FET的尺寸和纵横比，

对热分布都非常重要。需要考虑的另一个重要因素是FET是否同时或顺序上

电。模型精度取决于所使用的物理数据和材料属性。模型的静态或平均功耗分

析只需很短的计算时间