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模塊電源散熱面溫度越低壽命越長越可靠嗎？
發布時間：
2019-01-31
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對于兩種性能類似的工業級模塊電源產品，是否可以認為在同樣功率和散熱條件下，表面溫度越低的模塊電源預期壽命也越長呢？
溫度對電子產品預期壽命的影響非常明顯，在同質量等級和工藝水準前提下，元器件正常工作時溫度越低，產品預期壽命越長。這是為業內廣泛接受的工程常識之一。
筆者近期拜訪軌道交通行業客戶，與客戶就產品應用及系統方面的問題進行有趣探討。其中針對客戶工程師普遍存在的熱設計與可靠性方面困擾，節選部分討論內容分享給大家。
客戶反饋常規測試條件下，某些模塊電源散熱面似乎要更熱，這樣會不會有可靠性問題或者預期壽命就一定低于溫度稍低的其他模塊電源？
真實答案可能顛覆我們的傳統認知，結論是不一定！
這是什么道理？難道溫度越高越好嗎？這聽起來完全不符合工程常識嘛。
其實這個問題需要我們從基本概念和產品結構出發，結合理論分析和足夠的工程數據佐證后就不難理解了。
第一，溫度對電子產品預期壽命關系的工程常識是基于單一零部件的大前提，所以對于多個零部件組成的系統而言不一定適用。
第二，模塊電源非單一材質元件，而是由諸多元件構成的集成系統。其中內部耐溫能力相對弱的元件有光耦、磁性元件、功率半導體、控制IC和陶瓷電容等。只要內部任意元件預期壽命終結，整個模塊電源將會失效。因此對現場工程應用而言，考察模塊電源內部元件的實際溫度更有參考意義。
第三，通過合理的結構和熱設計，雖然模塊表面溫度較高，但是實際內部元器件熱量被更高效地傳導至散熱表面，其內部關鍵元器件實際溫度往往優于外殼溫度低的模塊內部元件。
目前工業級模塊電源結構可分為鋁基板和環氧板兩大陣營，這兩類結構工藝各有優缺點。下面結合其內部結構設計作簡單分析。
鋁基板工藝模塊電源內部結構如圖一所示：
圖一
從圖一可以看出鋁基板模塊電源內部分為功率板和控制板上下兩部分。
其中主要功率器件直接焊在鋁基板上，金屬焊錫材料的熱傳導效率很高，因此損耗較大的功率元件熱量被高效傳導至底部散熱鋁基板。上層控制板布置微功率的控制元件，其自身發熱微乎其微，故采用架空結構可確保關鍵控制、反饋元件免受下層主功率板高溫烘烤之苦。
內部元件PN結到散熱背板的熱阻為θjc，內部元件PN結絕對溫度為Tj(max)，內部元件功耗為Pj(max)， 散熱背板溫度為Tc ，關鍵元件內核溫度可以通過以下公式計算得出：
Tj(max) = Tc + Pj(max) * θjc
受益于模塊電源內部鋁基板極佳的導熱特性，功率元件到散熱背板之間的等效熱阻θjc極低，所以絕大部分熱量被第一時間傳導至背部散熱冷板。盡管鋁基板模塊電源外部溫度Tc相對較熱，但是因為熱阻θjc極低，所以其內部關鍵元件溫度Tj(max)并不太高。
因為模塊電源內部采用兩層架構，且兩層之間存在空氣作為絕熱體，所以上層控制板上的關鍵元件，例如光耦，控制IC等實際溫度甚至會低于外部散熱底板溫度。
圖二為CN-A系列模塊電源在極限測試狀態下過熱保護動作瞬間實際拍攝的熱成像照片。從掃描結果分析，主功率鋁基板散熱效果極佳，熱量分布非常均勻，上層控制板受益于架空絕熱設計，整體溫度較低。
圖二
值得注意的是控制板上的關鍵反饋環路用的光電耦合器，其實際溫度低于背板的100攝氏度基準。光電耦合器的關鍵參數為電流傳輸比（CTR: Current Transfer Ratio）。電流傳輸比會隨著時間的推移而逐漸降低，當電流傳輸比達到系統設計極限時，控制環路將會失效導致模塊電源報廢。如果我們可以確保模塊電源內部光電耦合器實際溫度更低，可以極大地延緩其電流傳輸比的衰減速度，避免模塊電源產品過早壽命終結。
環氧板工藝模塊電源內部只有一片集中式多層環氧板。主要功率元件和控制元件均分布在同一塊環氧板上。其中內部多層環氧板上的主要發熱部件與模塊電源散熱底板之間并無直接接觸，兩者通過填充的導熱材料傳導散熱。因為熱傳遞距離和導熱材料特性限制，所以其實際導熱效率相對稍低。
因為發熱量較大的功率元件和耐溫能力稍差的控制元件集成在同一片電路板上，所以可能存在熱傳導效應，導致敏感元件例如光電耦合器等實際溫度被動升高。
鋁基板工藝的優點是內部元件散熱效率高，且大功率與微功率元件物理隔離，適合惡劣環境和高可靠性場所應用。其不足之處是內部采用雙層結構，工序復雜，生產效率相對稍低，對生產廠家工藝流程控制能力提出很高要求。
環氧板工藝的優點是生產效率高，更適合例如通信機房等相對溫和環境和大批量應用。其不足之處是控制部分關鍵元件和發熱較大的功率元件集成在一起，存在被動升溫隱患。且內部元件與模塊電源散熱背板之間熱阻相對較高，在惡劣環境下應用需考慮降額并謹慎驗證內部關鍵元件溫升。
因此，若無足夠工程數據支持，僅監控模塊電源表面散熱板溫度有時不能完全確定內部關鍵器件溫度。若模塊內部元件至散熱器之間熱阻過大，將會在客戶極端應用條件下出現瓶頸效應，嚴重時可能帶來故障隱患。
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