通信設(shè)備盒式電源模塊MOS 管的散熱優(yōu)化設(shè)計

沈 悅

（上海華為技術(shù)有限公司，上海 201206）

1 MOS的基本結(jié)構(gòu)及損耗

常用的功率MOS管從主要工藝結(jié)構(gòu)上劃分，一般可分為平面型和垂直型兩種。隨著設(shè)計及工藝的不斷革新，MOS結(jié)構(gòu)已由早期的平面型逐漸演變到垂直型，如圖1所示。特別是近年來的U型垂直溝道結(jié)構(gòu)，由于采用U型柵，形成的縱向溝道截流面積相比平面工藝更大，有效減小了導(dǎo)通電阻，因其更優(yōu)的FOM參數(shù)而被大量應(yīng)用于主功率開關(guān)變換拓?fù)?。一般開關(guān)變換應(yīng)用中，MOS管的損耗主要由導(dǎo)通狀態(tài)損耗、開關(guān)交疊損耗以及柵極驅(qū)動損耗構(gòu)成。由于驅(qū)動損耗一般占比較小，因此MOS損耗一般為導(dǎo)通損耗+開關(guān)損耗。

圖1 垂直溝道MOS管

導(dǎo)通狀態(tài)下，MOS管的主要損耗來自于工作電流在導(dǎo)通電阻上產(chǎn)生的熱耗，即：

其中，Rdson為MOS管的導(dǎo)通電阻，Kth為歸一化溫度系數(shù)。從MOS管溝道導(dǎo)通后工作電流的路徑來看，MOS管單個元胞的Rdson主要由S極n+重?fù)诫s區(qū)電阻、溝道電阻、n-外延層電阻和襯底電阻組成。對于通信應(yīng)用的80 V、100 V MOS管，溝道電阻和外延層電阻是構(gòu)成MOS管導(dǎo)通電阻的主要部分。因此，導(dǎo)通損耗主要集中在溝道附近，該溫度即Tj節(jié)溫。

開關(guān)狀態(tài)下MOS管的主要損耗來自于漏極電壓與工作電流交疊部分產(chǎn)生的熱耗。而MOS管實際的開關(guān)交疊過程中，因為負(fù)載和寄生參數(shù)的影響，電壓與電流的交疊部分比較復(fù)雜，這部分損耗很難準(zhǔn)確計算。為了簡化前期計算過程，可以考慮最差情況與理想情況，實際損耗則介于兩者之間。

（1）最差情況下，MOS管電壓電流不同時變化，即Vds電壓下降前，Imos負(fù)載電流逐漸增加到負(fù)載電流Id，隨后Id電流不變，Vds電壓逐漸減掉到最小值。這種情況下的交疊損耗最大，可以按照Psw=1/2×Vds×Id×t×f來估算，其中t為交疊時間。

（2）理想情況下，認(rèn)為Vds與Imos同時變化，即MOS管開啟后Vds電壓開始逐漸減小，Cgd開始變大，在米勒平臺過程中Imos逐步增大。這種情況下的開關(guān)損耗為 Psw=(1/2)×∫Vds×Id×dt≈ 1/6×Vds×Id×t×f。

在高溫環(huán)境應(yīng)用時，來自周圍器件的熱輻射和通過PCB傳導(dǎo)來的熱量，會使MOS管本身溫度升高。節(jié)溫的升高、電氣參數(shù)的漂移等因素，最終會影響器件的應(yīng)用可靠性及壽命。因此，設(shè)計初期結(jié)合系統(tǒng)實際情況，根據(jù)系統(tǒng)熱仿結(jié)果，選擇合適的PCB布局、PCB板材、覆銅、過孔以及合適的散熱方式等，對于MOS管的散熱至關(guān)重要。

2 基于實際場景下的系統(tǒng)降溫措施

產(chǎn)品實際全橋應(yīng)用中，原邊單顆MOS的損耗為1.3～1.4 W（36 V輸入時導(dǎo)通損耗0.67 W、開關(guān)損耗0.56 W、驅(qū)動損耗0.06 W；57 V輸入時導(dǎo)通損耗0.41 W、開關(guān)損耗0.94 W、驅(qū)動損耗0.06 W），副邊單顆MOS的損耗為1.1～1.2 W（36 V輸入時導(dǎo)通損耗0.82 W、體二極管損耗0.14 W、驅(qū)動損耗0.24 W；57 V輸入時導(dǎo)通損耗0.7 W、體二極管損耗0.14 W、驅(qū)動損耗0.24 W）。由于電源模塊位于系統(tǒng)風(fēng)道下游，前級的熱量經(jīng)過層層累積，最終到達(dá)電源模塊時，經(jīng)實測環(huán)境溫度已高達(dá)95 ℃，高出仿真值10 ℃，而原副邊MOS管的溫度更是超過130 ℃，嚴(yán)重超出溫度降額要求。經(jīng)過分析，主要原因有2個：（1）系統(tǒng)風(fēng)阻過大，導(dǎo)致風(fēng)量不足，且過高的環(huán)境溫度導(dǎo)致MOS管損耗進(jìn)一步增加；（2）變壓器作為第二個熱源，通過互連的銅皮烘烤四周臨近的MOS管。

針對第一個原因，首先從系統(tǒng)方面考慮，從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化嘗試：

（1）在滿足壽命及室內(nèi)機(jī)房噪聲標(biāo)準(zhǔn)的前提下，提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)風(fēng)量；

（2）調(diào)整機(jī)框鈑金結(jié)構(gòu)豎梁位置、風(fēng)道內(nèi)前后對齊、結(jié)構(gòu)面增加開窗面積、機(jī)殼增加開孔面積以及橫隔板進(jìn)行表面處理等，減少系統(tǒng)風(fēng)阻；

（3）機(jī)框內(nèi)部分位置增加堵片，防止系統(tǒng)入風(fēng)氣流短路及回流，減少風(fēng)量損失；

（4）其他方面，如高度優(yōu)化基帶板和電源模塊散熱器、調(diào)整高器件位置等。

經(jīng)過實際測試，風(fēng)扇提速收益最明顯，轉(zhuǎn)速及風(fēng)量同比例提高10%后電源模塊環(huán)境溫度可減少5 ℃，但實際受限于噪聲標(biāo)準(zhǔn)限制，實際風(fēng)扇提速有限。

3 基于實際場景下的單點(diǎn)降溫措施

針對談到的第二個原因，關(guān)于單點(diǎn)熱源方面的散熱優(yōu)化，首先要保證器件與PCB之間的高效熱導(dǎo)，其次對PCB進(jìn)行直接散熱來達(dá)到對高溫器件的間接散熱效果。對于單面表貼、單面散熱的MOS管（如主流SO8封裝），散熱主要有2種途徑：（1）通過MOS內(nèi)部的金屬連線將DIE溫度縱向傳導(dǎo)至PCB焊盤，再通過PCB焊盤下側(cè)的熱過孔分散到PCB每一層相連的銅皮中，以PCB為載體橫向傳導(dǎo)溫度，最終通過機(jī)殼耗散至空氣中；（2）通過DIE向上傳導(dǎo)到MOS表面外殼上，再向空中輻射。由于SO8單面散熱MOS管外殼一般為樹脂材質(zhì)，熱阻大，因此熱耗中一般超過90%的部分通過第一條路徑傳遞，只有不到10%的部分通過第二條路徑傳遞，如圖2所示?？梢?，MOS散熱的關(guān)鍵是降低周圍PCB的溫度，即在功率MOS選型明確后，最重要的是能夠通過有效的方式提高PCB的熱交換率，無論是對流或是傳導(dǎo)方式。

圖2 SO8 MOS散熱路徑

3.1 PCB焊盤、熱過孔優(yōu)化

單純從熱傳導(dǎo)方面考慮，增加熱過孔數(shù)量或增大熱過孔孔徑，對有利于散熱。但是，受限于工藝約束，過多的過孔數(shù)量會導(dǎo)致MOS管有效焊接面積下降，反而惡化了接觸面熱阻，從而導(dǎo)致散熱效果變差。此外，過大的孔徑也會導(dǎo)致回流焊時PCB底層發(fā)生透錫情況而產(chǎn)生安規(guī)絕緣問題。受限于PCB面積及布局，通過焊盤本身尺寸優(yōu)化來加強(qiáng)散熱非常有限。最終，在滿足工藝焊接質(zhì)量要求的前提下進(jìn)行折中處理，從表層3×3 VIA10優(yōu)化到4×4 VIA12，并在內(nèi)層每層進(jìn)行銅連接，最終實測MOS管溫度收益2～3 ℃。

3.2 PCB走線及亮銅優(yōu)化

基于PCB通流仿真結(jié)果，優(yōu)化變壓器原副邊MOS管的走線寬度及回流路徑，使MOS并管之間盡可能均流，同時在主回路的表層銅皮進(jìn)行亮銅處理，通過近板位置的對流提升表層銅與空氣之間的熱交換效率，實測熱點(diǎn)PCB溫度（MOS焊盤附近）收益在2 ℃。

3.3 PCB增加整體式散熱器

MOS管上方增加一體式散熱器，通過導(dǎo)熱墊直接與MOS管及周圍PCB亮銅區(qū)域接觸，可以降低不同位置處PCB的溫差，起到較好的均溫效果，同時可以給焊盤進(jìn)行輔助散熱。實測原邊MOS管高溫點(diǎn)降低7 ℃，低溫點(diǎn)升高3 ℃，收益明顯。但是，散熱器安裝需要犧牲較大的空間，同時產(chǎn)線結(jié)構(gòu)裝配需要增加工序，實現(xiàn)代價較大。

3.4 PCB增加單點(diǎn)散熱器

一般變壓器和MOS管熱耗都較大，兩者布局也會相互靠近以減小環(huán)路面積，因此兩者會通過互聯(lián)的銅皮相互烘烤，取決于熱點(diǎn)是變壓器或是MOS。該產(chǎn)品中變壓器為平面表貼式，銅損占大頭約15 W，通過表貼散熱器進(jìn)行散熱。但是，內(nèi)芯線圈繞組因無法直接接觸散熱器，因此熱量最終通過引腳傳導(dǎo)至PCB，加熱了PCB及相連的MOS管，使MOS管溫度更高。通過在熱點(diǎn)銅皮處表貼小銅柱，類似于給PCB安裝了微型散熱器，增加了PCB的散熱面積，在銅柱周圍形成的紊流能夠?qū)崿F(xiàn)更好的熱量交換，相當(dāng)于間接為變壓器進(jìn)行散熱。但是，該方案也變相增加了動點(diǎn)面積，在MOS開關(guān)邊沿高頻諧波會惡化，因此需要考慮對RE的影響。實測由此帶來的MOS管溫度收益原邊約2 ℃，副邊 4 ℃。

3.5 PCB底板結(jié)構(gòu)件優(yōu)化

該產(chǎn)品PCB底部設(shè)計有鋁基板結(jié)構(gòu)件，作用為：（1）減少熱點(diǎn)冷點(diǎn)間溫差，實現(xiàn)整板均溫；（2）提供低熱阻路徑，將PCB熱量傳導(dǎo)至機(jī)框。但是，從實際測試結(jié)果來看，仍有以下幾點(diǎn)影響了實際的導(dǎo)熱效果：（1）基板表面未拋光處理，導(dǎo)致與PCB有效接觸面積減?。唬?）與PCB固定的幾個鉚釘位置間距過大，導(dǎo)致鎖緊后仍有較大的氣隙，增大了熱阻；（3）關(guān)鍵MOS下方有鉚釘，導(dǎo)致MOS下方PCB背面無法緊貼鋁基板。經(jīng)過這幾點(diǎn)優(yōu)化，最終實測MOS溫度收益4 ℃左右。

3.6 其他方面

去除電源模塊屏蔽罩、變壓器下沉夾心等，均對MOS溫度有一定收益，但從生產(chǎn)角度講實現(xiàn)代價高，不便于海量產(chǎn)品化。最終，通過系統(tǒng)側(cè)及模塊單點(diǎn)側(cè)的若干優(yōu)化措施，做到了原副邊MOS管溫度在全輸入范圍及全負(fù)載范圍內(nèi)保持在120 ℃以下，達(dá)到了器件降額要求，滿足產(chǎn)品可靠性應(yīng)用要求，并成功投放市場。

4 結(jié) 論

對于高溫應(yīng)用場景的電源模塊，需要保證環(huán)境拉偏、邊緣場景條件下的溫度降額，以達(dá)到產(chǎn)品可靠性的設(shè)計要求。最佳的散熱優(yōu)化是盡可能提升效率，減小器件自身的熱耗，即從熱源角度進(jìn)行優(yōu)化。但是，很多情況下受限于各種條件，當(dāng)器件選型受限或器件無法進(jìn)一步優(yōu)化的情況下，可以從散熱路徑上繼續(xù)優(yōu)化，并結(jié)合系統(tǒng)自身散熱方案特點(diǎn)進(jìn)行整體或者單點(diǎn)優(yōu)化。另外，散熱方案受結(jié)構(gòu)、工藝以及成本等諸多因素的限制，很難有一步到位的效果，尤其在后期可接受的范圍內(nèi)的調(diào)整非常微小，但是多個微小的優(yōu)化同樣可以滿足最終的系統(tǒng)散熱要求。