多功能集成模塊化電源散熱設(shè)計及應(yīng)用

汪思群

摘要：由于集成模塊化電源中使用了大量的大功率器件，它們在工作時會產(chǎn)生大量的熱量，電源內(nèi)部過高的溫升將會導(dǎo)致對溫度敏感的功率器件等元器件的失效。因此，電源的散熱設(shè)計對提高電源乃至整套電子設(shè)備的工作可靠性顯得尤為重要。本文就多功能集成模塊化電源散熱設(shè)計及應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞：模塊化、散熱、多功能集成

引言

多功能集成模塊化電源變換器模塊因其具有高變換效率、高功率密度、高可靠性的特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于車載、機(jī)載、艦載、彈載以及魚雷等軍用電子裝備中，電源在使用過程產(chǎn)生大量熱量，這些熱量若不及時散出，則會嚴(yán)重影響其運(yùn)行。

1工作原理

電路主要由一個非隔離型Buck變換器和相應(yīng)控制電路組成，控制電路主要由輸入電壓采樣Uin，輸出電壓采樣Ku，峰值電流采樣Ki，一個電壓調(diào)節(jié)器PID，一個功率開關(guān)SW導(dǎo)通信號生成電路和一個功率開關(guān)SW關(guān)斷信號生成電路。其中，功率開關(guān)SW導(dǎo)通信號生成電路由一個電容CC充放電電路和比較器Comp_1構(gòu)成，功率開關(guān)SW關(guān)斷信號生成電路由峰值電流取樣，峰值電流基準(zhǔn)生成電路kx+b（k>0）和比較器Comp_2構(gòu)成。Buck電路工作在DCM狀態(tài)下，用峰值電流控制去控制功率開關(guān)管的關(guān)斷時刻，也即控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間;用輸出電壓環(huán)路去控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時刻，也即控制功率開關(guān)管的關(guān)斷時間，導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間之和即為整個開關(guān)周期。不同的輸入電壓下得到不同的導(dǎo)通時間，不同的負(fù)載條件下，得到不同的關(guān)斷時間，從而得到不同的開關(guān)周期，即可實(shí)現(xiàn)變頻控制。

2設(shè)計方案分析

電源工作過程中隨著輸入電壓升高，前級BuckMOS管和二極管損耗增加，為了快速將熱量導(dǎo)出，將原先在MOSFET和鋁基板之間的導(dǎo)熱墊換成導(dǎo)熱系數(shù)更高的陶瓷片+導(dǎo)熱墊。由此帶來的效果很明顯，溫升下降9度左右，提高高溫滿載情況下功率器件的溫度余量。同時，陶瓷片有效增加原邊器件與底板之間的安全距離。主電路板采用PCB表面貼裝（SMT）工藝。主電路板的PCB為多層板，厚度2mm以上，長度與寬度與低板凹槽的尺寸相匹配。采用多層板的目的主要是實(shí)現(xiàn)平面變壓器的繞組。所有功率器件均位于功率板上，發(fā)熱嚴(yán)重的功率器件均置于底面，靠近散熱底板，利于散熱?？刂齐娐肪挥诳刂瓢迳希盘柕膫鬟f通過雙排插針來實(shí)現(xiàn)。

3設(shè)計組成

電路包含輸入濾波，變頻控制Buck電路，中線變換器，輔助電源，輸出濾波，恒壓控制，恒流控制，均流控制，保護(hù)電路等，結(jié)構(gòu)上包括金屬鋁底板、封裝外殼、電路板及輸入輸出引腳等幾個部分。設(shè)計圖如下：

通過以下設(shè)計

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

金屬鋁底板、封裝外殼、電路板及輸入輸出引腳設(shè)計。

3.2可靠性設(shè)計

在電源模塊的設(shè)計中，需要在電路優(yōu)化設(shè)計、元器件選型、降額設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、熱設(shè)計、可靠性預(yù)計等方面進(jìn)行深入的研究，主要應(yīng)遵循一下幾點(diǎn)準(zhǔn)則：

（1）在電路優(yōu)化設(shè)計方面，對電路進(jìn)行簡化設(shè)計，減少元器件種類，使電路設(shè)計做到最優(yōu)最簡;

（2）在元器件選型方面，優(yōu)先選用目前比較流行的、容易采購的、質(zhì)量等級較高的元器件，合并功能的元器件，減少元器件類型;

（3）在降額設(shè)計方面，應(yīng)嚴(yán)格遵循GJB/Z35-93中對降額設(shè)計的要求，力求在滿足功能性能使用需求的情況下，做到合理降額，即不大幅增加設(shè)計成本，又能較大幅度提高系統(tǒng)的可靠性。

（4）根據(jù)可靠性計算，在25℃地面良好環(huán)境條件下，整機(jī)MTBF>2000000小時。常溫42天老化，冷熱沖擊，高低溫老化等一系列可靠性驗(yàn)證滿足產(chǎn)品散熱要求。

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