热管理解决方案 | 电子可靠性——多热算过热？

电源是所有电子设备的核心。它通常需要在相对紧凑的空间中通过低成本来提供高功率和高电压，为了满足这些需求，电源设计人员必须充分发挥创意与技能。

但是创意需要依靠丰富的专业知识，电源设计尤为如此。为了解决电源噪声、时序和效率要求，这全都离不开专业技术和经验。遗憾的是，热管理解决方案的反馈回路并非总是这样直接。虽然令人惊叹的强大热工具可以非常准确地预测结温、壳温和环境温度的分布情况，但是与了解具体的温度相比，想要确定合适的温度通常是一件更加困难的事情。

降额方法一直是一种值得商榷的做法，但它在老式电子产品中有一定的合理性。因为一般固态机制通常需要几十年甚至数百年，才会逐渐出现性能劣化、进而导致大量故障。降额策略更多关注的是功能（参数漂移等），其次才考虑可靠性。如今，可靠性问题已变得日益显著，由于需要在更紧凑的空间内容纳更多功能，如此精细的结构导致在几年内或者甚至几个月内就会发生性能劣化，即便设计人员遵守了传统的降额方法也是如此。

在电源设计中，与温度循环和可靠性有关的最受关注的组件技术包括：

• 磁性（变压器/扼流圈）通特性

• 光耦元件/发光二极管（LED）网络接入相关问题

• 电容器（电解/陶瓷/薄膜）

• 集成电路

• 焊点

我们首先探讨变压器和扼流圈等磁性元件，是因为在设计审核和组件应力分析阶段出现温度问题时，通常不考虑这类组件技术。因为变压器一般也是定制生产，许多变压器甚至没有提供温度额定值。那么，如何判断磁性元件发生过热情况？

发光二极管（LED）一般在电源中用作指示灯或光耦技术的发光器件。LED的自然使用寿命会随着磨损而结束。有源区内部的缺陷会刺激成核和位错增长，这尤其会受到温度和电流的影响。

电解电容器是设计人员在温度影响方面最需要关心的组件。众所周知，作为唯一一种依靠液体才能正常工作的电子组件，电解电容器由于液体电解质逐渐蒸发而具有有限的使用寿命。电解质的丧失会导致电容逐渐减小，等效串联电阻（ESR）增大。基于此，除了电压、电流（纹波）、温度等标准的元件额定值以外，所有电解电容器制造商也都提供了额定的使用寿命。

为满足电源设计人员对更高性能的期望，陶瓷电容器制造商已经大幅提高了给定封装尺寸（0402、0603等）的电容量。这种电容器技术的改进需要增加介电层数量（>300），同时减少介电层厚度1（参见图14）。但是，额定电压无法跟上陶瓷电容器介电层的厚度减少速度，造成介电层上的电场显著增强。

薄膜电容器可能因两种故障机制而发生故障，每一种都对温度敏感：首先是部分放电（也被称为电晕）。这是薄膜电容器的自愈机制，然而过高的水平可能破坏大面积的聚酯介电层，导致所测的电容值下降。部分放电通常在低于额定电压的电压下开始出现（参见下面的几种275V薄膜电容器），但随着施加电压的降低，这种情况会显著减少。

由于设计中采用的复杂集成电路可能在使用寿命期间发生损耗，或者甚至出现故障，因此有必要了解使用条件和环境条件对这些组件的影响。主要问题是亚微米工艺技术会导致器件在使用寿命内发生损耗，这个时间要远早于最初预计出现损耗的时间。

焊点，也被称为互联，可用于提供电子组件（无源、分立和集成）、基板或电路板之间的电气、热和机械连接。焊点包含一级连接（芯片到基板）或二级连接（组件封装到印刷电路板）。

虽然上述问题显而易见，但由于缺乏有效的工具，电源设计人员一直难以解决这些问题。正如前文所讨论的，大多数工具要么重点放在预测温度（而非其影响）上，要么过于简单，比如降额或MTBF，它们不能真正反映温度导致的风险。

更可行的方法是使用可靠性物理分析，通过经过验证的算法并综合使用环境、材料和架构信息，预测性能劣化行为，开展权衡分析，从而准确地指导并预测电源性能。Ansys推出的Sherlock Automated Design Analysis™软件，有助于填补设计工具功能上的空白。

Ansys Sherlock使用故障物理（PoF）方法帮助电源工程师更清楚地了解何时发生过热。它将标准设计信息（ODB、Gerber、网表等）与综合性嵌入式数据库相结合，以提供开展这些复杂计算所需的输入信息，简化的软件架构可确保在几分钟内完成数千次计算并显示结果。最重要的是，设计团队现在能在远早于制造任何原型之前开展这类分析。