开关电源PCB热管理设计：从发热源到散热方案
来源：捷配
时间: 2025/10/17 10:34:00
阅读: 107
开关电源的效率通常为 85%~95%，剩余 5%~15% 的能量以热量形式释放（如 100W 电源发热 5~15W），若热管理不当，MOS 管、整流桥、电感等元件温度会超 125℃（安全上限），导致寿命缩短（温度每升 10℃，寿命减半）、参数漂移（如 MOS 管导通电阻增大），甚至烧毁。开关电源 PCB 的热管理需 “精准定位热源、优化导热路径、匹配散热方案”，而非盲目加散热片。?
一、开关电源的核心发热源与热特性?
首先需明确各元件的发热量与热敏感程度，针对性设计：?
- 关键数据：100W 反激电源中，MOS 管（10A/0.1Ω）导通损耗 = I²R=10W，若无散热，温度会在 5 分钟内升至 200℃以上；整流桥（10A）导通损耗 = Vf×I=0.7V×10A=7W，温度可达 150℃。?
PCB 铜箔的热设计：低成本高效导热?
PCB 铜箔是开关电源最基础的散热载体，通过优化铜箔的 “厚度、面积、形状”，可降低元件温度 10~30℃，无需额外成本：?
- 大功率元件的铜箔设计：?
- MOS 管 / 整流管：?
- 铜箔厚度≥2oz（70μm），焊盘面积≥元件封装面积的 3 倍（如 TO-220 封装 MOS 管，焊盘面积≥15mm×10mm）；?
- 焊盘周围延伸 “散热铜箔”（面积≥20cm²），并布置热过孔（孔径 0.4mm，数量≥5 个），将热量传导至 PCB 背面或内层；?
- 案例：某 TO-220 MOS 管（损耗 5W），1oz 铜箔 + 小焊盘时温度 140℃；改为 2oz 铜箔 + 30cm² 散热铜箔 + 6 个热过孔，温度降至 95℃。?
- 功率电阻：?
- 采样电阻（如 0.01Ω/10W）采用 “大面积铜箔” 布局，铜箔宽度≥5mm，长度＜10mm，减少电阻自身发热向周围传导；?
- 避免将功率电阻布置在 PCB 角落（散热差），优先放在边缘，靠近通风处。?
- 功率回路的铜箔优化：?
- 铜箔宽度按 “电流 + 散热” 双重标准设计：1A 电流对应 1mm 宽（载流需求），发热功率＞1W 时，额外加宽 50%（如 3A 电流，线宽从 3mm 增至 4.5mm）；?
- 铜箔避免窄颈（如从 4mm 突然缩至 1mm），窄颈处电流密度骤增，易局部过热（温度可升高 20~30℃）。?
三、导热材料与散热结构的匹配?
当 PCB 铜箔无法满足散热需求（如元件温度超 100℃），需搭配导热材料与散热结构，不同功率等级的方案差异显著：?
- 中低功率（＜20W）：?
- 方案：导热垫 / 导热硅脂 + 小型散热片；?
- 选型：?
- 导热垫：厚度 0.5~1mm，导热系数 2~5W/(m?K)（如 3M 8810），贴在 MOS 管与散热片之间，填补缝隙（缝隙＞0.1mm 时用）；?
- 导热硅脂：导热系数 5~10W/(m?K)（如信越 7921），涂抹厚度 5~10μm，用于元件与散热片紧密贴合场景；?
- 案例：12W Buck 电源 MOS 管（损耗 2W），贴 1mm 厚导热垫 + 20cm² 散热片，温度从 110℃降至 75℃。?
- 中高功率（20~100W）：?
- 方案：金属外壳散热 + 导热柱；?
- 设计：?
- 将 PCB 的功率区（MOS 管、整流桥）贴近金属外壳，通过铜制导热柱（直径 3~5mm，导热系数 401W/(m?K)）连接 PCB 铜箔与外壳；?
- 外壳表面做凹凸纹理（增大散热面积 30%~50%），材质选铝合金（导热系数 205W/(m?K)）；?
- 案例：60W 反激电源，MOS 管与整流桥通过 4 个导热柱连接铝合金外壳，温度从 130℃降至 85℃，无需风扇。?
- 高功率（＞100W）：?
- 方案：风扇强制对流 + 大型散热片 / 液冷；?
- 设计：?
- 散热片面积≥100cm²（如 100W 电源需 150cm²），风扇风量≥10CFM，气流方向覆盖所有大功率元件；?
- 液冷方案（＞500W）：液冷头直接接触 MOS 管、整流桥，循环水流量≥1L/min，适合高功率密度场景；?
- 案例：200W 服务器电源，用 120mm 风扇 + 200cm² 散热片，MOS 管温度从 140℃降至 90℃。?
四、热管理的常见误区与规避?
- 误区 1：只给 MOS 管加散热，忽视整流管：?
- 后果：整流管温度超 125℃，烧毁概率增加；?
- 规避：整流管与 MOS 管同等重视，若整流管损耗＞3W，需同步加散热。?
- 误区 2：导热材料厚度过厚：?
- 后果：导热垫厚度＞2mm 时，热阻显著增大（2mm 厚导热垫热阻≈0.5℃/W，1mm 厚≈0.2℃/W）；?
- 规避：导热材料厚度控制在 0.5~1mm，确保元件与散热结构紧密贴合。?
热管理的核心是 “按需匹配”—— 某 20W 电源盲目使用液冷方案（成本增加 50 元），实际用导热垫 + 小型散热片（成本 5 元）即可满足温度要求；某 100W 电源仅靠 PCB 铜箔散热，导致 MOS 管烧毁，追加风扇后问题解决。可见，结合功率与场景选择方案，才能平衡散热效果与成本。
微信公众号
微信小程序
抖音视频号
浙公网安备 33010502006866号