斯蒂芬.巴特勒(Steve Butler)VPT工程部副总裁

山姆,伍德(Sam Wood)VPT机械工程师

引言

混合式DC-DC转换器，如VPT DV系列产品通常被定级在整个军事级温度范围-55℃到+125℃，只要功率耗散和温升被合理地设定，转换器就可以在这个温度范围内以全额功率运行。DC-DC电源转换器的效率永远低于100%，因此输入功率总有一定比例的浪费。这些被浪费的功率以热量的形式流失，同时会导致DC-DC转换器的温度上升而高于周围系统温度。在系统机械和散热设计时必须考虑DC-DC转换器的温升以保证转换器不会超过最大额定工作温度。

混合式封装(hybrid packaging)技术采用厚膜导体(thick film conductors)，裸半导体压膜(baresemiconductor die)和高热导材料(high thermal conductivity materials)实现高温运行。典型混合式封装如图1所示。在它的基本结构中，裸露硅压膜(bare silicon die)被固定在一个陶瓷基板(ceramic substrate)上，一般是氧化铝Al2O3(Alumina)，这个基板则被固定在金属基材上，通常是钢铁或铁镍钴合金，功率在半导体压膜处耗散，半导体压膜可能是集成电路(IC)，功率晶体管(powertransitor)或者功率整流管(power rectifier)。压膜具有一个最大的半导体结点工作温度(junetionoperating temperature)，典型温度为150℃或175℃，如制造商所列。

任何材料的热阻θ都可以根据以下公式计算：

根据图1，显而易见，混合器件的散热路径全部通过包装的底部。特定工作温度必须在管壳的底层表面测量。盖子提供非常小的热量传递路径。任何在盖子上测量得到的温度都具有不精确的结果，任何加在盖子上的散热器都具有很小的影响。因此，系统散热设计必须考虑使用包装底壳为主散热路径。

由于转换器的功耗和配件的热阻，管壳温度总是稍高于散热器温度或环境温度。管壳温度不可以被假定与散热器温度或环境温度相等。这种错误的假定是产生许多系统散热问题的根源。合理的系统设计应容许高的系统温度，甚至超过100℃，但保持混合转换器的组件(component)温度低于125℃。

如果混合式转换器的管壳保持低于+125℃，则内部半导体结温会处在安全级别内，一般在130℃和140℃之间，仍低于它们的最大额定值。如果混合器件的输出功率减少，那么管壳的耐温极限可能可以增加，但内部结温无增加。细节问题请咨询混合式转换器制造商。

尽管混合式DC-DC转换器可在高达+125℃的温度条件下工作,但是可靠性可在较低壳温下运行转换器而提高。每个电子组件都有故障率(failure rate)，这个故障率从理论上来讲与它的工作温度有关。根据MIL-HDBK-217的分布式计算，每降低混合组件的工作温度5℃会增加平均故障间隔时间10%~20%。一般来说，系统设计要尽量降低热阻和最小化DC-DC转换器和系统环境之间的温升。

DV系列DC-DC转换器一般使用于传热的主要方式为传导(conduction)。散热分析过程中辐射(radiation)或对流冷却(convection cooling)常被忽略。低功率耗散或高效率的混合转换器通常是无散热器的安装,并且依赖电路板来散热。另一方面，较高功率混合组件一般需有低热阻连接到主散热器，如系统底盘。

铝是典型的用于热沉(散热器,Heatsink)或均热片(Heatspreader)的材料，因其具有高热导率，轻重量以及易于加工的特点。在混合转换器和热沉的安装界面处可用耐热传导性的空隙填充物。这种空隙填充物一般是一个散热焊盘，散热润滑脂或黏合剂。它可以填充界面处的任何不规则空隙，并且降低交界面的的热阻。这些材料与参数可从许多制造商处获得，参数包括:厚度，硬度，介质击穿(dielectricbreakdown)，黏合剂，释气量(outgassing)等等。

为保证良好的热传导率，DC-DC转换器应牢固地安装在热沉上。我们推荐法兰盘封装(flangedpackage)，黏合剂或固定夹带(mounting strap)的方式来达到最好的性能。一些空隙填充物材料要求有足够的安装压力(mounting pressure)以保持良好的散热性能。如果要求一个良好的散热界面，仅有与管脚的焊接通常是不够的。

混合转换器的工作温度必须通过分析和测量来验证。对于设计目的而言，工作温度可以利用有限元分析(finite element analysis)计算方法或一个简单的热阻模型来计算。实际系统中，安装在混合器件底板上的热电偶(thermalcouple)，是一个测量的好方法但一般必须等到研发周期的晚期。在整个系统散热模型研制完成之前，初步的热阻计算，虽然是大致估计，但不失为研发早期的一个好的设计工具。

这种混合组转换器直接安装在散热器上的结构通常会使得运行时的管壳温度尽可能最低。这同样适用于底部引线型封装(down-leaded type package),只要散热器钻有转换器管脚的导电插孔

图4展示了一个具有法兰盘的电源混合器的"四脚朝天式"("deadbug")安装的例子。这是一种普遍用于严重振荡环境下的安装结构。管脚的电气连接可通过离散布线或者一个灵活或坚硬的印刷电路板来实现。

在这个组件中，热量只通过法兰盘传递。最大温度是假定在混合器的中心处，从中心到法兰盘有一个附加的热阻和温升。对于这种结构，因为功率沿着底盘的表面耗散，所以利用有限元方法从封装的中心处到法兰盘可获得一个有效的热阻值，R-deadbug值，如图6所示。当与混合器件的总功耗共同作用时，这个有效热阻就会产生一个有效热点管壳温度。有效热阻值(effective thermal resistance)可从制造商处获得。VPT法兰盘封装的DVTR可供参考的R-deadbug=6℃/W。

当每个法兰盘保持在相同温度Tflange时，组件中心处的热点温度由公式(7)给出。由于存在两路并联的散热途径，每个法兰盘是一路，所以功耗Pd除以2。

“朝天式”安装法通常得到管壳温度比图2的散热器直接配置法得到的管壳温度更高。

对于那些大功耗或高环境温度的应用场合，添加一个均热片到“朝天式”混合器的基部可降低组件的管壳温度，如图6所示。均热片的热导率必须好于组件封装的热传导率。例如，对于冷轧钢封装铝散热器的厚度是组件封装的厚度的两倍。为达到更好的效果，均热片与电气管脚须保持距离以确保热力接点沿着整个混合器的长度，这里推荐使用具有导热性的粘合剂。

注意上式中的θspreader要除以2。显而易见，均热片的结构导致管壳温度(见式8)低于上述不带散热器的结构所产生的管壳温度(见式7)。均热片的热阻必须保证足够低以确保显着的效果，同时热阻必须是由高热导率材料制成，且型号大小适当。

较低功率的混合器一般是直接被安装到电路板或印刷电路板(PCB)上，如图8所示。良好的热力接点保持在混合器和电路板之间，这里经常要用到黏合剂。混合器的法兰盘或固定夹也能帮助良好的热力接点。利用公式(3)，电路板的热阻可从混合器中心的PCB材料测到电路板的安装位置，计算得出。管壳温度可根据公式(5)推导出。典型的PCB材料并不是良好的热导体。沿PCB板长度的铜板则被经常用来提高热导率(thermal conductivity)。同样，散热通孔(thermal vias)被用来提高电路板的热导率，一般是在混合器下方或电路板的安装位置。

当单个印刷电路板不足以带走来自混合器的热量，那么就需要添加一个均热片到这个组装上，如图9所示。在这个情况下，印刷电路板的散热途径常常可以忽略不计而混合器的管壳温度可直接根据公式(5)计算得出。此外，有意地将散热器、混合器与印刷电路板隔离有助降低印刷电路板和周围零件的温度。

另一个选择就是在印刷电路板穿孔，允许均热片突出且与混合器的基部接触。再者，机械安装必须充分保证混合器和均热片之间良好的热力接触。

合理的系统散热设计对于保证混合式DC-DC转换器在军事级范围内可靠性工作必不可少。为保证不超过温度等级，必须知道转换器的工作温度会大于环境温度或散热器温度。转换器的工作温度以在底盘中心为准，可由分析或测量来确定。了解实际温度有助于计算精确的可靠性，而且可在设计复杂性和可靠性之间作取舍。