熱應(yīng)力：美國國家半導體公司的一個創(chuàng)新解決方案

作者：美國國家半導體公司 電源應(yīng)用工程師Michele Sclocchi

美國國家半導體公司是模擬半導體工業(yè)的領(lǐng)導企業(yè)，它提供了一個基于 Web 的熱仿真與電子仿真工具，能減少電源系統(tǒng)的設(shè)計與鑒定時間、改善可靠性和熱應(yīng)力問題。

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、個人計算機與機頂盒領(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、DSP 等。

所有這些需求使人們重新思考電源設(shè)計的方法：設(shè)計中重要的考慮因素是更小的尺寸、更高的效率、更高的可能性，以及可以工作在不同開關(guān)頻率的能力。

所有這些因素都會導致熱應(yīng)力的增加，因此設(shè)計人員必須花費更多時間去優(yōu)化設(shè)計，對在更高工作溫度下運行的電源進行鑒定。電源的熱應(yīng)力分析可以成為項目中關(guān)鍵的階段，這些分析與鑒定不僅針對功率半導體器件，也包括整體系統(tǒng)中的每一個部件，如印刷電路板、磁性元件、電容和回流二極管等。例如，有的時候容易忽視的是比較敏感的電源線輸入電容，溫度每增加 10 °C，電容的平均時間就會減半。

一種創(chuàng)新的解決方案

設(shè)計者要求顯著降低測試的時間（天數(shù)，有時是月數(shù)），提高設(shè)計的可靠性，但同時還要節(jié)約大量成本，美國國家半導體公司對設(shè)計者的這些要求作出了回應(yīng)。在它的網(wǎng)站 www.power.com 上有一個完全的工具，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，使用變換算法快速提供準確的結(jié)果。此外，WebTHERM 還可以在實時參數(shù)（如環(huán)境溫度、功率元件焊接的印刷電路板銅箔區(qū)表面與厚度）中插入變量。它還可以增加一個外部散熱片或風扇，以達到某個應(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：一個是美國國家半導體公司的 Simpler 開關(guān)穩(wěn)壓器，另一個是當開關(guān)關(guān)斷時為電感器電流提供回流的外接二極管。兩種功率器件和其它無源元件的功率耗散皆用 3D 對流模型進行仿真。

這樣，就能夠獲得同一電路各個部分的工作溫度。
比較傳統(tǒng)的方法是：計算各個功率器件的熱阻和功率耗散，但不考慮各個元件發(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)果既實用又直觀，因為它使用的界面與電子仿真工具 WEBENCH 相同，設(shè)計者在網(wǎng)站 上進行電路的電子仿真，然后執(zhí)行熱仿真。設(shè)計者可以在一個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，以及外接風扇的速度（可選）。這樣，設(shè)計者就可以調(diào)整印刷電路板。仿真被自動通過互聯(lián)網(wǎng)送到美國國家半導體公司的服務(wù)器。大約 2 到 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器件相互的熱影響、電路上的熱分布，以及每一個元件的工作溫度等。

一個典型的應(yīng)用

讓我們考慮一個輸出為 5V、5A 的 25 W 降壓電源（輸入為非穩(wěn)壓的 10-14V 電壓）。在設(shè)計中使用了一片 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。可以看到：穩(wěn)壓器 LM2678 的內(nèi)部溫度高于 130 °C，而外接二極管的溫度則高于 110 °C。

增加印刷電路板面積后（圖 2），能夠改善散熱狀況，因此溫度可以降低大約 25 °C。

為了進一步提高電路的性能，設(shè)計者可以增加銅箔的厚度（圖 3），此時穩(wěn)壓器和二極管的結(jié)溫分別為 83 °C 和 79 °C。

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)當指出的是：仿真工具的易用性和結(jié)果的準確性都可以明顯地減少設(shè)計的時間與成本。另外還可以在功率穩(wěn)壓器上增加一個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刷電路板銅箔上的表面安裝二極管的熱耗散隔離開來。（圖 4）
這種情況下，就能進一步減少二極管、印刷電路以及所有無源元件的熱應(yīng)力。