用因特網(wǎng)設(shè)計(jì)電源 — 創(chuàng)新的熱應(yīng)力解決方案

---近年來,隨著電源供電系統(tǒng)的不斷發(fā)展,使得板式DC-DC電源的結(jié)構(gòu)、性能和技術(shù)規(guī)格產(chǎn)生了根本的變化。工業(yè)、電信、個(gè)人計(jì)算機(jī)與機(jī)頂盒領(lǐng)域的大量應(yīng)用需要不同類型的高性能、高集成度的微處理器、存儲器和DSP 等。
---所有這些需求使人們重新思考電源設(shè)計(jì)的方法：設(shè)計(jì)中最重要的考慮因素是更小的尺寸、更高的效率和性能,以及可以工作在不同開關(guān)頻率的能力。
---所有這些因素都會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的增加,因此設(shè)計(jì)人員必須花費(fèi)更多時(shí)間去優(yōu)化設(shè)計(jì),對在更高工作溫度下運(yùn)行的電源進(jìn)行鑒定。電源的熱應(yīng)力分析可以成為項(xiàng)目中最關(guān)鍵的階段,這些分析與鑒定不僅針對功率半導(dǎo)體器件,也包括整體系統(tǒng)中的每一個(gè)部件,如印制電路板、磁性元件、電容和回流二極管等。例如,有的時(shí)候最容易忽視的是比較敏感的電源線輸入電容,溫度每增加10℃,電容的平均時(shí)間就會(huì)減半。
---美國國家半導(dǎo)體公司是模擬半導(dǎo)體工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè),它提供了一個(gè)基于Web的熱仿真與電子仿真工具,能減少電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與鑒定時(shí)間、改善可靠性和熱應(yīng)力問題。

一種創(chuàng)新的解決方案

---設(shè)計(jì)者要求顯著降低測試的時(shí)間（天數(shù),有時(shí)是月數(shù)）,提高設(shè)計(jì)的可靠性,但同時(shí)還要節(jié)約大量成本,美國國家半導(dǎo)體公司對設(shè)計(jì)者的這些要求做出了回應(yīng)。在它的網(wǎng)站 www.power.com 上有一個(gè)完全免費(fèi)的工具,包括電子仿真軟件WebSIM和WebTHERM。
---WebTHERM是與Flomerics協(xié)作開發(fā)的,它將電路板設(shè)計(jì)的物理布局與產(chǎn)生全彩色熱影像的熱模型結(jié)合起來。它采用彩色圖像突出顯示問題點(diǎn),使用變換算法快速提供準(zhǔn)確的結(jié)果。此外,WebTHERM還可以在實(shí)時(shí)參數(shù)（如環(huán)境溫度、功率元件焊接的印制電路板銅箔區(qū)表面與厚度）中插入變量。它還可以增加一個(gè)外部散熱片或風(fēng)扇,以達(dá)到某個(gè)應(yīng)用所要求的正確溫度。
---WebTHERM對電源中的兩種有源元件分別使用兩種不同的熱模型：一個(gè)是美國國家半導(dǎo)體公司的Simpler開關(guān)穩(wěn)壓器,另一個(gè)是當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)為電感器電流提供回流的外接二極管。兩種功率器件和其他無源元件的功率耗散皆用3D對流模型進(jìn)行仿真。這樣,就能夠獲得同一電路各個(gè)部分的最大工作溫度。
---比較傳統(tǒng)的方法是：計(jì)算各個(gè)功率器件的熱阻和功率耗散,但不考慮各個(gè)元件發(fā)熱的相互影響,以及外部環(huán)境變量的影響等因素。
---用WebTHERM得到的結(jié)果既實(shí)用又直觀,因?yàn)樗�使用的界面與電子仿真工具WEBENCH相同,設(shè)計(jì)者在網(wǎng)站www.power.com上進(jìn)行電路的電子仿真,然后執(zhí)行熱仿真。設(shè)計(jì)者可以在一個(gè)控制面板上選擇電路板上方和下方的環(huán)境溫度、電路板方向,以及外接風(fēng)扇的速度（可選）。這樣,設(shè)計(jì)者就可以調(diào)整印制電路板。仿真被自動(dòng)通過互聯(lián)網(wǎng)送到美國國家半導(dǎo)體公司的服務(wù)器。大約2～3分鐘后就可以收到熱仿真的結(jié)果。通過圖中的顏色就能夠辨別出各個(gè)器件相互的熱影響、電路上的熱分布,以及每一個(gè)元件的最高工作溫度等。

一個(gè)典型的應(yīng)用

---讓我們考慮一個(gè)輸出為5V、5A的25W降壓電源（輸入為非穩(wěn)壓的10～14V電壓）。在設(shè)計(jì)中使用了一片LM2678,這是一片第三代的Simpler變換器,它的效率為87%（典型值）,回流二極管和電源穩(wěn)壓器之間分布的耗散功率均為3W。圖1顯示的是WebTHERM 熱仿真的結(jié)果�？梢钥吹�,穩(wěn)壓器 LM2678的內(nèi)部溫度高于130℃,而外接二極管的溫度則高于110℃。
---增加印制電路板面積后（見圖2）,能夠改善散熱狀況,因此最高溫度可以降低大約25℃。

---為了進(jìn)一步提高電路的性能,設(shè)計(jì)者可以增加銅箔的厚度（見圖3）,此時(shí)穩(wěn)壓器和二極管的最高結(jié)溫分別為83℃和79℃。
---對絕大多數(shù)情況而言,這一結(jié)果已經(jīng)非常滿意了。應(yīng)當(dāng)指出的是：仿真工具的易用性和結(jié)果的準(zhǔn)確性都可以明顯地減少設(shè)計(jì)的時(shí)間與成本。另外,還可以在功率穩(wěn)壓器上增加一個(gè)外接散熱片以獲得更好的散熱效果。這樣,可以將穩(wěn)壓器的熱功率與連接到印制電路板銅箔上的表面安裝二極管的熱耗散隔離開來（見圖4）。這種情況下,就能進(jìn)一步減少二極管、印制電路以及所有無源元件的熱應(yīng)力。