热应力：美国国家半导体公司的一个创新解决方案

热应力：美国国家半导体公司的一个创新解决方案

作者：美国国家半导体公司 电源应用工程师Michele Sclocchi

美国国家半导体公司是模拟半导体工业的领导企业，它提供了一个基于 Web 的热仿真与电子仿真工具，能减少电源系统的设计与鉴定时间、改善可靠性和热应力问题。

近年来，随着电源供电系统的不断发展，使得板式 DC-DC 电源的结构、性能和技术规格产生了根本的变化。工业、电信、个人计算机与机顶盒领域的大量应用需要不同类型的高性能、高集成度的微处理器、存储器、DSP 等。

所有这些需求使人们重新思考电源设计的方法：设计中重要的考虑因素是更小的尺寸、更高的效率、更高的可能性，以及可以工作在不同开关频率的能力。

所有这些因素都会导致热应力的增加，因此设计人员必须花费更多时间去优化设计，对在更高工作温度下运行的电源进行鉴定。电源的热应力分析可以成为项目中关键的阶段，这些分析与鉴定不仅针对功率半导体器件，也包括整体系统中的每一个部件，如印刷电路板、磁性元件、电容和回流二极管等。例如，有的时候容易忽视的是比较敏感的电源线输入电容，温度每增加 10 °C，电容的平均时间就会减半。

一种创新的解决方案

设计者要求显著降低测试的时间（天数，有时是月数），提高设计的可靠性，但同时还要节约大量成本，美国国家半导体公司对设计者的这些要求作出了回应。在它的网站 www.power.com 上有一个完全的工具，包括电子仿真软件 WebSIM 和 WebTHERM。

WebTHERM是与 Flomerics 协作开发的，它将电路板设计的物理布局与产生全彩色热影像的热模型结合起来。它采用彩色图像突出显示问题点，使用变换算法快速提供准确的结果。此外，WebTHERM 还可以在实时参数（如环境温度、功率元件焊接的印刷电路板铜箔区表面与厚度）中插入变量。它还可以增加一个外部散热片或风扇，以达到某个应用所要求的正确温度。

WebTHERM 对电源中的两种有源元件分别使用两种不同的热模型：一个是美国国家半导体公司的 Simpler 开关稳压器，另一个是当开关关断时为电感器电流提供回流的外接二极管。两种功率器件和其它无源元件的功率耗散皆用 3D 对流模型进行仿真。

这样，就能够获得同一电路各个部分的工作温度。
比较传统的方法是：计算各个功率器件的热阻和功率耗散，但不考虑各个元件发热的相互影响，以及外部环境变量的影响等因素。

用 WebTHERM 得到的结果既实用又直观，因为它使用的界面与电子仿真工具 WEBENCH 相同，设计者在网站 上进行电路的电子仿真，然后执行热仿真。设计者可以在一个控制面板上选择电路板上方和下方的环境温度、电路板方向，以及外接风扇的速度（可选）。这样，设计者就可以调整印刷电路板。仿真被自动通过互联网送到美国国家半导体公司的服务器。大约 2 到 3 分钟后就可以收到热仿真的结果。通过图中的颜色就能够辨别出各个器件相互的热影响、电路上的热分布，以及每一个元件的工作温度等。

一个典型的应用

让我们考虑一个输出为 5V、5A 的 25 W 降压电源（输入为非稳压的 10-14V 电压）。在设计中使用了一片 LM2678，这是一片第三代的 Simpler 变换器，它的效率为 87%（典型值），回流二极管和电源稳压器之间分布的耗散功率均为 3W。图 1 显示的是 WebTHERM 热仿真的结果。可以看到：稳压器 LM2678 的内部温度高于 130 °C，而外接二极管的温度则高于 110 °C。

增加印刷电路板面积后（图 2），能够改善散热状况，因此温度可以降低大约 25 °C。

为了进一步提高电路的性能，设计者可以增加铜箔的厚度（图 3），此时稳压器和二极管的结温分别为 83 °C 和 79 °C。

对绝大多数情况而言，这一结果已经非常满意了。应当指出的是：仿真工具的易用性和结果的准确性都可以明显地减少设计的时间与成本。另外还可以在功率稳压器上增加一个外接散热片以获得更好的散热效果。这样，可以将稳压器的热功率与连接到印刷电路板铜箔上的表面安装二极管的热耗散隔离开来。（图 4）
这种情况下，就能进一步减少二极管、印刷电路以及所有无源元件的热应力。