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?cè)诠ぷ鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,電源內(nèi)部過(guò)高的溫升將會(huì)導(dǎo)致對(duì)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(jì)對(duì)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(jì)及應(yīng)用展開(kāi)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(guò)程產(chǎn)生大量熱量,這些熱量若不及時(shí)散出,則會(huì)嚴(yán)重影響其運(yùn)行。
1工作原理
電路主要由一個(gè)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(gè)電壓調(diào)節(jié)器PID,一個(gè)功率開(kāi)關(guān)SW導(dǎo)通信號(hào)生成電路和一個(gè)功率開(kāi)關(guān)SW關(guān)斷信號(hào)生成電路。其中,功率開(kāi)關(guān)SW導(dǎo)通信號(hào)生成電路由一個(gè)電容CC充放電電路和比較器Comp_1構(gòu)成,功率開(kāi)關(guān)SW關(guān)斷信號(hào)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(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)刻,也即控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間;用輸出電壓環(huán)路去控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻,也即控制功率開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間,導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間之和即為整個(gè)開(kāi)關(guān)周期。不同的輸入電壓下得到不同的導(dǎo)通時(shí)間,不同的負(fù)載條件下,得到不同的關(guān)斷時(shí)間,從而得到不同的開(kāi)關(guān)周期,即可實(shí)現(xiàn)變頻控制。
2設(shè)計(jì)方案分析
電源工作過(guò)程中隨著輸入電壓升高,前級(jí)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(lái)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(shí),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(zhǎng)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?hào)的傳遞通過(guò)雙排插針來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3設(shè)計(jì)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(gè)部分。設(shè)計(jì)圖如下:
通過(guò)以下設(shè)計(jì)
3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
金屬鋁底板、封裝外殼、電路板及輸入輸出引腳設(shè)計(jì)。
3.2可靠性設(shè)計(jì)
在電源模塊的設(shè)計(jì)中,需要在電路優(yōu)化設(shè)計(jì)、元器件選型、降額設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)計(jì)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(jì)方面,對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),減少元器件種類,使電路設(shè)計(jì)做到最優(yōu)最簡(jiǎn);
(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(gòu)的、質(zhì)量等級(jí)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(jì)方面,應(yīng)嚴(yán)格遵循GJB/Z35-93中對(duì)降額設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算,在25℃地面良好環(huán)境條件下,整機(jī)MTBF>2000000小時(shí)。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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