电源模块的散热方式（2）

PCB 铜层散热

在某些应用中，可以利用 PCB 的铜层来帮助散热，这前提是 PCB 上有足够的空间，以形成足够大的散热面积。为了确保良好的热传导，器件的金属片（Tab）或焊块（Slug）通常会直接焊接在 PCB 上。

另一种方法是使用带金属底板（如铝或铜）的 PCB，常见于 LED 灯具等场景，其中 PCB 被粘附在一块铝基板上，以加强热传导。

如果预算允许且设计上有需求，还可以在 PCB 中嵌入一块铜块，称为“铜币（Copper Coin）”。这使得功耗元件可以与其进行热耦合（见图3）。当应用场景为密封结构且无法设置通风口时，这种方案将非常有帮助。

添加散热器

散热器和 PCB 通常采用铝或铜材料，通过在总质量与表面积之间取得平衡，实现期望的散热效果。这些结构通常带有多条散热鳍片或尖刺，以最大化与空气的接触面积。

两种材料都具备良好的导热性能（铝为237W/mK，铜为401W/mK），但原材料成本方面，铝的价格约为铜的三分之一。

为实现良好的热传导，通常需要在功率器件的金属焊盘和散热器之间使用导热垫片或导热膏，并通过螺丝固定。

要计算使用散热器后的总热阻（RTOTAL），需要知道器件的结到壳体热阻（ RθJC）、散热器的热阻、导热膏或导热垫片的热阻。

假设 RθJC = 1.7°C/W，散热器为2.67°C/W，导热膏为0.33°C/W，则总热阻为RTOTAL = 1.7 + 2.67 + 0.33 = 4.7°C/W。这套配置的工作温度可通过以下公式计算：(PD × RTOTAL) + TA，若在环境温度（TA）为30°C 下耗散5W 功率，则器件的运行温度为：(5 × 4.7) + 30 = 53.5°C

TCI系列的创新解决方案

在某些情况下，仅依靠散热器不足以满足系统要求，特别是在极端工况下。这时可以考虑主动散热，最常见的方式就是集成风扇。

虽然这种方式合理有效，但风扇本身也可能成为潜在的故障点。当电源转换器依赖强制风冷来维持设备在规定的温度范围内运行时，必须确保风扇在启用时能够正常旋转，甚至建议持续监控其转速。

幸运的是，许多半导体厂商都提供专用的风扇控制器，例如 Microchip Technology 的EMC2301。这类基于 I²C/SMBus 接口的设备不仅易于与微控制器集成，还通常具备闭环控制功能，并支持对风扇状态的实时监控。

另外，液冷也是一种可选的散热方案。这种方式在电动汽车中非常常见，其中 IGBT、MOSFET 以及功率模块通常被集成在高功率密度的电机逆变器和电源转换器中。

总结

随着应用对电源模块（PSU）的小型化、高集成度和高功率密度需求日益增长，热设计在系统开发中的重要性也不断提升。然而，应对这一挑战的方法需依据具体的预算和设计限制而定。

最常见且成本最低的方式是采用自然对流结合散热器的被动散热方案。若被动方式无法满足要求，下一步则是采用主动散热，例如使用风扇进行强制通风。但这也意味着风扇需进行实时监控——一旦风扇失效，电源可能迅速过热并损坏。

因此，在进行热管理设计时，务必仔细阅读产品的数据手册和安装指南。如有任何不明确之处，像 Traco Power 这样的供应商始终愿意提供专业的技术支持。

文章作者：Simeon Tremp，产品经理