以小体积著称的模块电源，正朝着低电压输入、大年夜电流输出，以及大年夜的功率密度偏向成长。然则，高集成度、高功率密度会使得其单位体积汕９依υ升越来越成为影响体系靠得住工作、机能晋升的最大年夜障碍。统计材料注解，电子元器件温度每升高2℃，其靠得住性降低10%，温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。所以热设计的目标就是要及时地排出热量，并使产品的温度处于一个合理的程度，包管元器件的热应力在最坏的情况温度前提下依然不会超出规定值。对于异常看重靠得住性的模块电源来说，热处理在其设计中已经是必弗成少的一环。

热量的产生
想要商量热设计办法，起重要清跋扈模块电源温升是若何产生的。根据能量守恒定律，电源的输入总功率应当等于其输出的总功率，也即能量转换效力（η）恒为100%，然则实际的情况是转换效力（η=1-Ploss/Ptotal）都是小于100%的，也就是说会有一部分能量（Ploss）损掉掉落。那么损掉的┞封一部分能量消费在哪里了？除了很小的一部分变成电磁波向空平分布外，其余的都变成了热能，促使其温度晋升。过高的温度会使电源设备内部元器件掉效，全部设备的靠得住性降低。

图1 12W自驱同步整流正激变换器道理图

热量产生的处理
1 建模分析法
大年夜膳绫擎的分析我们可以获得计算温升的第一种办法：分别建立各部分元器件的损掉功率和热阻的模型，然后根据下面的公式求出该功率器件的温升值。
计算温升的一个根本表达式：
ΔΤ=RthJ-X·Рloss                  （1)
个中，ΔΤ=温度差值或者温升；RthJ-X =功率器件大年夜结获得X的热阻。

可以看出：既然元器件的损耗功率是产生热量的根来源基本因，那么找出各个功率器件的损耗就成懂得决热处理的关键。如今以金升阳公司的一个12W、效力为91%的产品来解释。

对于基于PWM的自驱同步整流正激变换器，一般应用电路道理如图1所示。

各功率器件的损耗如图2所示。在图2中，Pt是原边变压器损耗；Pl是输出滤波电感的损耗；Pmos是MosFET的损耗；Pd1是整流二极管的损耗；Pd2是续流二极管的损耗；Pother是其他器件的损耗和。

接洽损掉功率与热量的参数是热阻（thermal resistance），它被定义为发烧器件向四周热释放的“阻力”，恰是因为这种“阻力”的存在，使得热点（hot points）和四周产生了必定的温差，就像电流流过电阻会产生电压降一样。不合的材质的热阻是不一样的，热阻越小，散热就越强，其单位为℃/W。

图2 功率器件损耗

如今，一些半导体器件厂商都能给出比较具体的有关损耗的参数，而电源研发人员，也能在实际的工程上钩算出功率器件实际的损耗，进而赓续地修改这些值，使得这些元器件的损耗能异常接近真实值。所以说请求出各功率器件在消费必定功率产生的实际温升，如今的关键就要推敲热阻了。然则热阻的值一般会受到以下因数的影响很大年夜，如功率元器件的损耗，空气流动的速度、偏向、扰动的等级，邻近功率元器件的影响，PCB板的偏向等。所以一般热测量的前提是很严格的。如今先看看对于一个是用于天然风冷，但四周密封且不消风机的功率元器件的热测试办法。功率元器件热测试中的剖面图如图3所示。

图4  2R 模型

图3 热测试中的功率器件构造图

如许就可以根据公式RJX=(TJ-TX)/Ploss求出结获得情况的热阻RthJA（RthJA=RthJS+RthSA）。有关RthJA的计算，这里只介绍一种简单的热模型（Compact thermal model）2R模型，即Two-Resistor Model。其理论根据如图4所示。

(2)

然则对于模块电源来说，我们一般把半成品封装在外壳里，其扼要图形如图5所示。

图5 产品中功率器件构造图

图5中暗影部分为硅胶、树脂等灌封料，其感化重要有两个：一方面用于固定半成品；另一方面用于传导功率器件外面的温度（散热）。所以大年夜结获得情况的热阻RthJA就可以表示为：
RthJA=[(RthJC1+RthC1E+RthEI+RthIC2+RthC2A)·(RthJT+RthTS+RthSB+RthBA)]/ [(RthJC1+RthC1E+RthEI+RthIC2+RthC2A)+
(RthJT+RthTS+RthSB+RthBA)]         (3)
那么对应于消费了功率Ploss时结点的温升就可以求出来了：
TJ=TA+Рloss·RthJA           (4)
个中，TA是功率元器件几何中间在上外面的投影所点所对应的温度值。

不过，式(4)成立还须要知足以下前提：这个产品只有一个热点(hot points)或者多个热点（hot points）之间的热传导造成的影响很小或者可以忽视不计；该功率器件的热量只介入向上或者向下传递，而不推敲其他偏向即知足2R法。

当存在多个热点并且温度分布不均时，这时刻推敲更多的就是靠经验公式了。而经验公式也须要下面的办法来加以修改和完美。

2 直接测量法
对温升的测量，还有一种测量办法也是比较简单且如今常用的办法：直接测量法，即测量功率器件工作前以及达到热均衡后对应的温度差值。

理论上，我们只须要包管芯片邻近的情况温度（TA）不跨越结点温度（TJ）就可以使芯片正常工作。然则实际并非如斯，TA这个参数是按照JEDEC标准测试而得，实际上产品几乎弗成能知足这种测试前提。是以，TA在这里对我们没什么意义。在这种情况下，保守的做法是包管芯片的壳体温度Tc﹤TA-max，如许芯片照样可以正常工作的。但大年夜靠得住性的角度，我们最好请求Tc小于Tj-max按必定等级降额后的值。对Tc的测量如今常用的做法有三种。

（1）热示指法（Temperature indicators）：直接用以热试纸（Thermopaper）贴于功率器件的case处，根据热试纸外面的色彩读出此时对应的Tc值。这种办法比较简单，然则对于天然风冷的产品来说，贴上热试纸则晦气于散热，实际测出的值应当是偏高的。

（2）红外成像法(Thermal Imagine)：应用红外成像的道理直接测量元器件在热均衡的前提下的外面温升。如Fluke公司的Ti20或者FLIR Systems公司的产品等。

图6 等温面

图7 正面热像图

输出滤波电感 84.6

图8不和热像图

图9 外壳外面温度图
图6～9是应用Ti20拍摄的金升阳公司12W产品的热图像。经由过程这些图片，我们不仅可以清楚地看出整体的热分布（雷同的温度，所用的色彩是一致的），还可以借助其供给的软件分析每一个元器件此时对应的温度值，如几个温度相对较高的元器件的温度值分别如表1所示。
表1 功率器件损耗表

元器件的名称 温度值 (℃)
变压器 88.3

续流二极管 90.5
MosFET 76.9

这种办法比较直不雅地分析了各功率器件的温升，以及温度的区域分布。经由过程PCB板上整体温度分布图，我们可以根据热点（hot points）调剂不合元器件的分布，如发烧量大年夜的器件在PCB板上的构造应尽可能远离对温度敏感的元器件，像电解电容等，并且发烧量大年夜的元器件之间要有必定的距离，如许不至于形成新的热点(hot points)。

（3）热电偶法(Thermocouple)。实际中，产品的功率器件并不直接裸露在空气中，而是灌封或者塑封在一个金属外壳或者塑料外壳里，如许元器件的温升值就不克不及经由过程膳绫擎的两种方法来测得。此时我们可以采取热电偶法，具体做法如下：应用点温胶将热电偶固定在离功率器件的节点较近的外壳上，然则不要接触到金属外壳。然后将半成品连同热电偶一路封装起来，分别测量T1（工作前温度），T2（热均衡后温度）值。这种办法可以直接经由过程模块电源测量其内部功率器件的实际温度值，但因为用了点温胶，热电偶与功率器件的壳（c1）形成一个新的热阻，并且粘住的热电偶会传导壳（c1）部分热量，清除仪器的测量误差，实测温度值会比真实值小。

这三种温度测量办法是各有其优缺点的，实际应用过程中还要具体问题具体分析，然则直接测量法最有助于完美建模分析法中推敲欠佳的处所。