多功能集成模块化电源散热设计及应用

汪思群

摘要：由于集成模块化电源中使用了大量的大功率器件，它们在工作时会产生大量的热量，电源内部过高的温升将会导致对温度敏感的功率器件等元器件的失效。因此，电源的散热设计对提高电源乃至整套电子设备的工作可靠性显得尤为重要。本文就多功能集成模块化电源散热设计及应用展开探讨。

关键词：模块化、散热、多功能集成

引言

多功能集成模块化电源变换器模块因其具有高变换效率、高功率密度、高可靠性的特点，能广泛应用于车载、机载、舰载、弹载以及鱼雷等军用电子装备中，电源在使用过程产生大量热量，这些热量若不及时散出，则会严重影响其运行。

1工作原理

电路主要由一个非隔离型Buck变换器和相应控制电路组成，控制电路主要由输入电压采样Uin，输出电压采样Ku，峰值电流采样Ki，一个电压调节器PID，一个功率开关SW导通信号生成电路和一个功率开关SW关断信号生成电路。其中，功率开关SW导通信号生成电路由一个电容CC充放电电路和比较器Comp_1构成，功率开关SW关断信号生成电路由峰值电流取样，峰值电流基准生成电路kx+b（k>0）和比较器Comp_2构成。Buck电路工作在DCM状态下，用峰值电流控制去控制功率开关管的关断时刻，也即控制功率开关管的导通时间;用输出电压环路去控制功率开关管的导通时刻，也即控制功率开关管的关断时间，导通时间和关断时间之和即为整个开关周期。不同的输入电压下得到不同的导通时间，不同的负载条件下，得到不同的关断时间，从而得到不同的开关周期，即可实现变频控制。

2设计方案分析

电源工作过程中随着输入电压升高，前级BuckMOS管和二极管损耗增加，为了快速将热量导出，将原先在MOSFET和铝基板之间的导热垫换成导热系数更高的陶瓷片+导热垫。由此带来的效果很明显，温升下降9度左右，提高高温满载情况下功率器件的温度余量。同时，陶瓷片有效增加原边器件与底板之间的安全距离。主电路板采用PCB表面贴装（SMT）工艺。主电路板的PCB为多层板，厚度2mm以上，长度与宽度与低板凹槽的尺寸相匹配。采用多层板的目的主要是实现平面变压器的绕组。所有功率器件均位于功率板上，发热严重的功率器件均置于底面，靠近散热底板，利于散热。控制电路均位于控制板上，信号的传递通过双排插针来实现。

3设计组成

电路包含输入滤波，变频控制Buck电路，中线变换器，辅助电源，输出滤波，恒压控制，恒流控制，均流控制，保护电路等，结构上包括金属铝底板、封装外壳、电路板及输入输出引脚等几个部分。设计图如下：

通过以下设计

3.1结构设计

金属铝底板、封装外壳、电路板及输入输出引脚设计。

3.2可靠性设计

在电源模块的设计中，需要在电路优化设计、元器件选型、降额设计、电磁兼容性設计、环境适应性设计、热设计、可靠性预计等方面进行深入的研究，主要应遵循一下几点准则：

（1）在电路优化设计方面，对电路进行简化设计，减少元器件种类，使电路设计做到最优最简;

（2）在元器件选型方面，优先选用目前比较流行的、容易采购的、质量等级较高的元器件，合并功能的元器件，减少元器件类型;

（3）在降额设计方面，应严格遵循GJB/Z35-93中对降额设计的要求，力求在满足功能性能使用需求的情况下，做到合理降额，即不大幅增加设计成本，又能较大幅度提高系统的可靠性。

（4）根据可靠性计算，在25℃地面良好环境条件下，整机MTBF>2000000小时。常温42天老化，冷热冲击，高低温老化等一系列可靠性验证满足产品散热要求。

参考文献

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