转换供电和热敏性的基本原理

转换电源在现代电子中是无处不在的,从AC或DC源中高效地提供受调节的DC电源。 与线性调节器不同,转换电源使用高频转换元件(通常为MOSFET)和磁变器来向上或向下移动。这种转换过程产生热作为副产品,从而形成自增循环,温度升高增加元件损失,进而产生更多的热量。因此,理解温度与可靠性之间的联系对于设计、指定或维持电力转换系统来说至关重要。

热应力是转换供电不成熟的主要原因之一. 工业应用的实地数据表明,10 °C的运行温度升高可以将某些组件,特别是电解电容器的预期寿命减半,这种敏感性的产生是因为内部材料和交汇在高温下年龄的加快,以及由于温度的迅速变化诱发机械压力.

温度变化如何影响可靠性

温度变化通过几种不同的机制影响电力供应的转换,每一种机制都针对特定部件,并可能导致逐渐退化和突然的灾难性故障。

对电解电容器的影响

铝电解电容器是交换电源中温度最敏感的部件之一。电解电晶会随时间慢慢蒸发,过程会因热而指数加速。在85 °C时,典型电容器的额定寿命可能为2,000小时;在65 °C时,同一电容器可能持续1万小时或更长。这种关系遵循 Arrhenius定律[,其中10 °C的电解电解液的衰减率大约会提高一倍。随着电解干燥、电容下降和等效序列阻(ESR)的上升,导致波浪电压增加,进一步加热。这种积极的反馈最终会导致电解液的膨胀、泄漏或灾难性故障。

低温操作也会使电容器承受压力。在极冷的温度下,电解质粘度会升高,电解质会提高,电容会降低。如果供应必须在−40 °C开始,那么电流会损坏电容器,然后才有机会暖和。

对动力半导体的影响

转换阶段的MOSFET和二极管直接受到交汇温度的影响。一个MOSFET的抗电量(RDS(on])随温度而增加,一般为每°C0.5%左右。 更高的RDS(on)]会导致更大的导电量损失,这进一步提升了交汇温度,如果热汇不足,则造成热流风险。 同样,二极前伏下降和逆向恢复损失随着热而恶化。

热循环——冷热状态与热状态之间反复的外游——造成硅枯萎与包裹铅之间的差幅膨胀,超过数千个循环,这可以产生熔炉关节裂缝或脱光死附着材料,导致间歇性操作或开通电路. 汽车动力供给,其经历从发动机湾热到冬季寒冷的宽温波动,尤其脆弱.

对磁性部件的影响

变压器和导管依赖于磁性随温度而变化的发酵芯。在温度升高、核心损失(歇斯底里和埃迪电流)增加、饱和通量密度下降的情况下,正常运行在25°C的变压器可能在高线电压和高温下饱和,造成巨大的电流尖峰,使变压晶体管变压并有可能破坏变压器。热衰老还使风切变的绝缘降低,增加了变压短的风险。

量化可靠性:温度和寿命模型

工程师们使用几种经验模型来预测温度对供电寿命的影响. 最常见的是Arrhenius模型,它表示故障率作为温度的指数函数:

⁇ (T) = A× exp(−E]a ] /(k×T) ]

衰竭率是XQ的,A是前责任因子,Ea是激活能量(电解电容器一般为0.7-1.0 eV),k是Boltzmann的常数,T是绝对温度。 这个模型支撑了许多定理准则,并被用于MILXHDBK ⁇ 217和Telcordia SR ⁇ 332等标准中。

对于由于热循环造成的机械疲劳,Coffin Manson方程将周期数与周期温度范围的故障相关:

N f =C×( ⁇ T) -m ]]]

,N f]是周期数到故障,QQT是温度摆动,m一般为售电关节1.5到3之间,这些模型允许设计者估计场可靠性,设定资格测试要求.

外部链接:[ 关于可靠性工程中阿耳赫尼乌斯方程的更多信息,参见[ 可靠性热网:阿耳赫尼乌斯模型.

提高热可靠性的设计战略

提高温度压力下的可靠性需要多面性的方法,包括部件选择、电路地形、热管理和机械设计。

热管理技术

减轻温度影响的最直接方式是高效地消除热量。

  • 短波热吸力——电源部件上附的芬化铝或铜热吸力能增加对流冷却的表面面积,其效能取决于适当的热接口材料(TIM)和空气流.
  • 强制空气冷却[]——风扇或吹风机显著改进对流热传导,然而风扇可靠性本身却成为了人们的关注;冗余风扇或智能速度控制可以有所帮助.
  • 液压冷却[] – 用于高功率工业和电信供应. 带有循环冷却剂的冷板可以消除多个组件的热量,从而能够提高功率密度.
  • 发热和封装[——热导电管或硅填充组件周围的空隙,减少热点,改善热量向闭塞的传播.
  • 热管和蒸汽室——两相相装置,能将热量传导到极低的热阻,可用于将热量集中到远程热汇中。

构成部分选择和调整

选择温度评级广泛的组件至关重要。 对于电解电容器,即使预期环境较低,也要使用105 °C或125 °C的额定部件;额外差值会大大延长寿命。选择高温下低[RDS(on]]的MOSFET,并确保交叉温度在最坏情况下永远不超过绝对最高分数的80%。在运行频率和预期温度下,应选择低损耗的Ferrite核心。

脱离行业标准的准则(例如IPC-9592,JEDEC JESD74)建议在电压、电流和功率评级上采用0.5至0.8的安全系数,对定值乘数进行环境温度调整,例如,在85°C时,对100V的电容器的评级不应暴露在80V以上。

外部链接: 实用定值指南可从军事航空航天电子:动力供给的组件定值获得.

布局和机械考虑

打印的电路板布局会显著影响热性能。 在板边附近或大铜浇上放置高热组件。 使用热通道将热量传递到内层地面平面。 避免将热量部分集中起来, 代之以分配这些部分以减少局部温度升高。 对于通过“ 洞” 组件, 确保形成适当的发热器填充器, 以尽量减少热膨胀时的压力 。

在高可靠性设计中,考虑使用铝制材料制成的热垫,作为散热器双倍,另外,设计封口,允许自然对流空气路径——冷气摄入的底气孔和排气的顶气孔。

测试和鉴定方法

模拟的数量无法取代真实世界的热测试。

  • 热循环——高温和低温之间的换位(如−40 °C至+85 °C),500–1000循环,以评价焊接器的关节疲劳和封装完整性.
  • 高温运行寿命——在监测输出参数的同时,在最高额定环境温度下(例如商业温度70°C,工业温度105°C)进行全负荷运行,持续数千小时.
  • 热成像——使用红外摄像机识别热点,并核实所有部件都保持在规定的温度限度内.
  • 加速生命测试(ALT)——应用高温和电压来强制故障,然后使用Archenius模型来推断正常条件下的预期寿命.

外部链接: 关于电源可靠性测试标准的详细概述,参见IEEE 1624-2008:DC和AC电源可靠性标准.

结论

温度变化仍然是改变供电可靠性的最大威胁之一。 从半导体加速电容器老化到热散,到焊接器疲劳,这些影响是普遍和经常相互关联的。 通过了解基本物理机制 — — 以及采用适当的冷却、组件装饰和彻底测试等强有力的设计做法 — — 工程师可以建造在恶劣环境中多年运作中提供持续性能的电力供应。

展望未来,采用宽频带半导体(碳化硅和氮化钙)将提高操作温度和降低损失,这将减轻本文所述的许多热挑战。 与先进的数字控制相结合,可以实时调整转换频率和值班周期以管理温度,下一代电力供应将比以往更具弹性。 尽管如此,热管理的基本原则在可预见的未来仍将是电力供应设计的核心。