1、混合式 DC-DC 电源转换器的散热设计山姆.伍德 VPT 工程部副总裁斯蒂芬.巴特勒 VPT 机械工程师引言混合式 DC-DC 转换器，如 VPT DV 系列产品通常被定级在整个军事级温度范围 -55到+125，只要功率耗散和温升被合理地设定，转换器就可以在这个温度范围内以全额功率运行。DC-DC 电源转换器的效率永远低于 100%，因此输入功率总有一定比例的浪费。这些被浪费的功率以热量的形式流失，同时会导致 DC-DC 转换器的温度上升而高于周围系统温度。在系统机械和散热设计时必须考虑 DC-DC 转换器的温升以保证转换器不会超过最大额定工作温度。混合式封装的特征混合式封装技术采用厚膜导体
2、，裸露半导体压膜和高热导率材料实现高温运行。典型混合式封装示意图如图 1 所示。在它的基本结构中，裸露硅压膜被固定在一个陶瓷基片上，一般是 （Alumina） ，这个基片则被固定在金属基材上，通常是钢铁或铁镍钴合金.功23AlO率在半导体压膜处耗散，这有可能是一个集成电路（IC） ，功率晶体管或者功率整流管。压膜具有一个最大的半导体结点工作温度，典型温度为 150或 175，如制造商所列出的。混合结构中的半导体结温 由下面公式确定：jT(1)2jcasedjcP 是混合结构的管壳温度； 是结点到管壳的温升； 是压膜处的功率耗散；caseTTdP是从结点到管壳的热阻。 是所有中间热阻的总和，在这
3、个器件中包括陶瓷基片，附jjc属材料和管壳本身。 热阻的计算任何材料的热阻 可以根据以下公式计算：(3)xKA 是垂直于热流方向的横截面面积， 是热流传导的距离， 是材料的热导率。举A K个例子，一个高 ，尺寸为 的铝散热器，可以被用于一个侧边引线混合结构下，0.531.5其热阻： . C0.28(4)3.957301.5inWWiic 铝的热导率为 。根据（2）式，通过这个铝方块的功率耗散的每一瓦./C都会产生 0.028的温升。DC-DC 转换器的应用根据图 1，显而易见，混合器件的散热路径全部通过包装的底部。工作温度会被明确说明而且必须在管壳的底层表面测量。盖子提供非常小的热量传递路径。
4、任何在盖子上测量得到的温度都具有不精确的结果，任何加在盖子上的散热器都具有很小的影响。因此，系统散热设计必须考虑穿过包装底层的主散热路径。由于内部结构的功耗和配件的热阻，管壳温度总是要稍稍高于散热器温度或环境温度。管壳温度不可以被假定与散热器温度或环境温度相等。这种错误的假定是产生许多系统散热问题的根源。合理的系统设计将会容许高的系统温度，甚至超过 100，但主要的混合组件温度仍低于 12。如果混合器件的管壳被保持低于+125，则内部半导体结温会处在安全级别内，一般在 130和 140之间，仍低于它们的最大额定值。如果减少混合器件的输出功率，那么可能出现的情况是最大可允许管壳温度会有所增加，而
5、无须增加内部结温。细节问题请咨询制造商。尽管混合式 DC-DC 转换器可在高达+125的温度条件下工作，但是可靠性可以通过在较低管壳温度下运行转换器而得以提高。每个电子元件都有一个故障率，这个故障率从理论上来讲与它的工作温度有关。根据 MIL-HDBK-217 的分布式计算，每降低混合组件的工作温度 5会导致平均故障间隔时间增加 10%20%。一般来说，系统设计要尽量降低热阻和最小化 DC-DC 转换器和系统环境之间的温升。合理的安装DV 系列 DC-DC 转换器主要被用于那些传热的主要方式为传导的场合。热分析过程中常常忽视了任何的辐射或对流冷却。低功率或高效率混合组件通常是无散热器的安装形式
6、并且依赖印刷电路板来散热。另一方面，较高功率混合组件一般要求一个连接到固定散热器的低的热阻，如系统底盘。铝是典型的用于散热器或热扩散器的材料，由于其具有高热导率，轻重量以及易于加工的特点。在混合器件和散热器的安装界面处可用耐热传导性的空隙填充物。这种空隙填充物一般是一个散热焊盘，散热润滑脂或黏合剂。它可以填充界面处的任何不规则空隙，并且降低交界面的的热阻。这些材料可从许多制造商处获得，同时获得多个参数：厚度，硬度，介质击穿，黏合，除气等等。为保证良好的热传导率，DC-DC 转换器应牢固地安装在散热器上。我们推荐法兰盘封装，黏合剂或固定弓形夹的方式来达到最好的性能。一些空隙填充物材料要求有足够的
7、安装压力以保持良好的散热性能。如果要求一个良好的散热界面，仅有与管脚的焊接连接通常是不够的。确定管壳温度混合器件的工作温度必须通过分析和测量来验证。对于设计目的而言，工作温度可以利用计算机化有限元分析方法或一个简单的热阻模型来计算。实际系统中，安装在混合器件底板上的热电耦，是一个验证的好方法但一般必须等到研发周期的晚期。在整个系统散热模型研制完成之前，初步的热阻计算，虽然是大致估计，但不失为研发周期早期的一个好的设计工具。 图 2 展示了一个直接固定在一个散热器上的侧边引线型的电源混合组件。图 3 展示了机械层以及对应的热阻模型，假定散热器是安装在一个环境温度已知的底盘上。混合器件的管壳温度的
8、计算与公式（1） 、公式（2）相似：(5)casembdTP 是已知的系统底盘的环境温度。 是混合器件的总功耗。它可由混合器件的输amb d出功率和效率计算出。效率可以测量或在数据手册中读到。总热阻 是从混合器件到环境的所有中间的热阻的总和，在这个器件中包括散热焊盘和散热器。散热焊盘的热阻可从制造商的数据手册中读到。散热器的热阻可从它的制造商处获得或者根据方程式(3)计算出。内部到混合器件耗散的功率可假设为沿着底盘均匀扩散，所以公式（3）中的面积应该是混合组件底盘的面积，而不是散热器的整个面积。如果散热器的形状是奇特或者非矩形的，那么它的热阻可通过分解成矩形块来近似估计，这些矩形块根据热流而级
9、联。每块的热阻可分别计算出，最后求和得到总热阻。例如：环境温度是 70；DFL2815S 混合式 DC-DC 转换器输入电压 28V；满载时 30W；散热焊盘 TP0-01 的热阻 0.06/W。铝散热器厚 。根据公式（4）散热器的热阻是0.50.028/W，根据公式（5）DVPL 的管壳温度为：703(.06/.28/)7.6()caseTCWCWA 这种混合组件直接安装在散热器上的结构通常会使得运行时的管壳温度尽可能最低。通过在散热器内添加一个便于与管脚电气连接的出砂孔，这种结构同样适用于底部引线型封装。“DEADBUG”式安装图 4 展示了一个具有法兰盘的电源混合组件的“DEADBUG”
10、式安装的例子。这是一种用于严重振荡环境下的普遍的安装结构。管脚的电气连接可通过离散布线或者一个灵活或坚硬的印刷电路板来实现。在这个组件中，热量只通过法兰盘传递。最大温度假定是在混合器件的中心处，则从中心到法兰盘有一个附加的热阻和温升。对于这种结构，因为功率沿着底盘的表面耗散，所以利用有限元方法从封装的中心处到法兰盘可获得一个有效的热阻值，R-deadbug 值，如图 6 所示。当与混合器件的总功耗共同作用时，这个有效热阻就会产生一个有效热点管壳温度。有效热阻值可从制造商处获得。VPT 法兰盘封装的 DVTR 可供参考的 R-deadbug=6/W 。当每个法兰盘保持在相同温度 时，组件中心处的
11、热点温度由公式（7）给出。由flangeT于存在两路并联的散热途径，每个法兰盘是一路，所以功耗 除以 2。dP(7)2dcaseflangeeadbugPTA “Deadbug”安装法通常得到管壳温度比图 2 的散热器直接配置法得到的管壳温度更高。散热器的“DEADBUG”型安装对于那些大功耗或高环境温度的应用场合，添加一个散热器到“deadbug ”装置的基部可降低组件的管壳温度，如图 6 所示。散热器的热导率必须好于组件封装的热传导率。例如，对于冷轧钢封装，铝散热器的厚度是组件封装的厚度的两倍。为达到更好的效果，散热器必须清除干净电气管脚以确保热力接点始终沿着整个长度，这里推荐使用具有导热
12、性的黏合剂。再次利用有限元方法，一个近似热阻模型可根据这个结构推导出。此时假定散热器的热阻与附加率为 2 的封装的有效热阻并联。附加率可通过有限元建模获得，用来说明热量实际上沿散热器的总长传递到散热器，而不是简单传递到组件的中心处。散热器的热阻可根据公式（3）计算出，这里的 是沿封装的中心到法兰盘的中心。利用并联电阻的计算公x式，组件的管壳温度为： 1(8)2/2dcaseflangedeabugspreadPTA 注意上式中的 要除以 2。显而易见，这种带散热器的结构总是导致产生一个管spread壳温度，而它明显低于以前那些不带散热器的结构所产生的管壳温度。散热器的热阻必须保证足够低以确保显
13、著的效果，同时热阻必须是由高热导率材料制成且大小适当。安装印刷电路板（PCB）较低功率的组件一般是直接被安装到电路板或印刷电路板（PCB）上，如图 8 所示。良好的热力接点保持在组件和板之间，这里经常要用到黏合剂。混合器件顶部的安装法兰盘或固定弓形夹也能帮助维持良好的热力接点。PCB 板的热阻可以这样得出：从组件的中心到 PCB 的安装位置穿过 PCB 材料纵向测量，利用公式（ 3）计算得出。管壳温度可根据公式（5）推导出。典型的 PCB 材料并不是良好的热导体。铜板则被经常用来提高 PCB 板沿其长度的热导率。同样，散热通孔被用来提高穿过 PCB 的热导率，一般是在组件下方或板安装位置。带散
14、热器的 PCB 安装当单个 PCB 板不足以带走来自组件的热量，那么就需要添加一个散热器到这个组装上，如图 9 所示。在这个情况下，穿过 PCB 板的散热途径常常可以忽略不计而组件的管壳温度可直接根据公式（5）计算得出。此外，有意地将散热器、组件与 PCB 板隔离有助降低 PCB 板和周围零件的温度。另一个选择就是在 PCB 里穿孔，允许散热器突出且与组件的基部接触。再者，机械安装必须充分保证组件和散热器之间良好的热力接触。结论合理的系统散热设计对于保证混合式 DC-DC 转换器在整个军事级范围内可靠性工作必不可少。为保证不超过最大值，组件的温度必须大于环境温度或散热器温度。组件的工作温度在底盘的底部中心已标出，可由分析或测量来确定。了解实际温度有助于保持设计复杂性和可靠性之间精确的可靠性计算和合理的权衡。
