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每周了解几个硬件知识+电源模块设计高低温理论知识分享

工程师
2024-07-25 16:33:08     打赏

设计电子产品时,为了确保其在低温和高温环境下能够正常工作,需要采取一些特殊的设计技巧。而且这个环节是不可少的,当然有些地区也是可以不用做这方面的测试。


低温设计技巧1. 启动问题低温环境(-40℃)下,电源启动可能会遇到困难。以下措施可以帮助解决低温启动问题:增加启动电容容量:在启动电路中使用较大的电容,但需确保电容器的耐温范围足够广。并联MLCC:在电路中并联稍大容量的MLCC,以增加启动电流。使用固态电解电容:固态电解电容在低温下具有更好的性能和稳定性。增加芯片启动电流:确保控制芯片在低温下能够获得足够的启动电流。2. 元器件选择选择适合低温工作的元器件:宽温范围元器件:选用可以在极低温度下正常工作的元器件。低温特性好的半导体器件:选择低温特性优异的半导体器件,避免在低温下性能下降。3. PCB设计考虑低温对PCB的影响:避免热应力集中:在PCB布局中避免热应力集中,以防止低温环境中材料的热胀冷缩导致的机械应力损坏。

使用低温焊料:使用适合低温环境的焊料,确保焊接点在低温下不会出现问题。


高温设计技巧1. 温度裕量设计在高温环境下(60℃),需要留足元器件的温度裕量:选择高温耐受元器件:选用耐高温的元器件,确保在高温环境下能够正常工作。多器件并联:在高温下前端损耗较大时,可以采用多器件并联的方法,桥堆或MOSFET并联,以分散热量。2. 半导体器件的漏电流高温环境中半导体器件的漏电流会增加,需要特别注意:选择低漏电流器件:选用在高温下具有低漏电流特性的半导体器件。优化散热设计:通过优化散热设计(增加散热片、使用风扇等)降低器件温度,从而减少漏电流的影响。3. 寄生参数和误动作高温环境下器件的寄生参数和小信号晶体管的放大倍数会受影响,需要考虑:稳压管和晶体管的选择:在高温下,稳压管和晶体管的寄生参数可能会引发误动作,选择高温特性好的器件,并合理设计其应用电路。保护电路设计:设计保护电路时,要充分考虑器件在高温下的极限值,避免误动作。4. 电容器选择高温环境对电容器的影响较大,选择合适的电容器非常重要:高温电容器:选用能够在高温环境下工作的电容器,高温钽电容、高温陶瓷电容等。固态电解电容:在高温下使用固态电解电容,可以提供更稳定的性能。


电源模块在极端温度环境下(低温和高温)工作时出现上述现象,主要是由于温度对电子元器件、材料特性以及电路设计的稳定性产生了显著影响。(1) 工作振荡,输出电压纹波和噪声变大,频率发生改变,模块啸叫分析:温度变化可能导致电路中的元件(电容、电感、晶体管等)的电气参数(容值、感值、电阻值、漏电流等)发生变化,从而影响电路的稳定性。高温还可能引起元件老化,降低其性能。解决方案:选择具有更好温度稳定性和更高耐温等级的元器件。优化电路设计,增加稳定性补偿机制,使用更复杂的反馈网络或加入温度补偿电路。改进散热设计,确保模块在高温下也能有效散热。(2) 启动不良分析:低温下,电解液电阻增大,电容充放电速度变慢,可能导致启动电流不足或延迟。高温下,元件老化、漏电增加等问题也可能影响启动性能。解决方案:使用低ESR(等效串联电阻)的电容,提高充放电效率。设计合理的启动电路,确保在各种温度下都能提供足够的启动电流。增加预热或软启动机制,减少启动时的冲击。(3) 带容性负载能力减弱分析:温度变化影响电容的充放电特性,导致电源模块在驱动大容性负载时响应变慢或不稳定。解决方案:优化电源模块的负载瞬态响应能力,增加输出电容的容量或选择性能更好的电容。考虑在负载侧增加缓冲电路,以减轻对电源模块的冲击。(4) 启动时输出电压过冲幅度变大分析:高温下,元器件性能变化可能导致控制环路响应速度变慢,无法及时抑制过冲。解决方案:改进控制环路的设计,提高其在高温下的响应速度和稳定性。在输出端加入限压电路或软启动电路,以限制过冲幅度。(5) 重载或满载工作时输出电压明显降低分析:高温下,电源模块的功率损耗增加,导致效率下降,输出电压降低。解决方案:选用更高效率的元器件和拓扑结构,减少功率损耗。优化散热设计,确保在高温下也能保持较高的工作效率。(6) 高温老化损坏分析:长期高温工作会加速元器件的老化过程,缩短使用寿命。解决方案:选择耐高温、长寿命的元器件。加强电源模块的散热设计,降低其工作温度。定期进行维护和检查,及时发现并更换老化的元器件。


电源模块在低温或高温环境下的设计技巧是确保电源稳定可靠运行的关键。低温环境下的设计技巧控制环境温度:在低温环境下,通过加热、保温等方式控制环境温度,使电源模块保持在适宜的工作温度范围内。这有助于防止因温度过低导致的性能下降或启动不良等问题。采用低温电子元器件:选用低温特性好的电子元器件,PTC、NTC热敏电阻,以及低温铝电解电容器等。这些元件在低温下能保持稳定的性能,减少因温度变化引起的性能波动。优化电路结构:对电路结构进行优化,采用抗低温性能好的电子元器件和电路拓扑结构,滤波电容、稳压电路等,以确保电源在低温环境下的稳定性。增强散热设计:尽管是低温环境,但考虑到电源模块内部可能因功耗产生的热量,仍需设计合理的散热结构,增大散热器的表面积、采用高散热性能的散热器材料等,以避免局部过热。加大进风口和排风口:在低温环境下,适当增大电源模块的进风口和排风口,加强通风效果,有助于散热和保持模块内部温度的稳定。高温环境下的设计技巧优化散热设计:高温环境下散热设计尤为重要。需采用高效的散热方式,使用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)等。同时,合理设计散热器的尺寸、形状和材质,以提高散热效率。选择耐高温元器件:选用耐高温、长寿命的元器件,以减少高温对元器件性能的影响。这些元器件应能在高温下保持稳定的电气参数和较长的使用寿命。优化电路布局:合理布局电路中的元器件,避免发热量大的元器件过于集中,以减少热耦合效应。同时,将敏感元器件放置在温度较低的区域,以降低其受高温影响的风险。增加温度补偿机制:在电路设计中加入温度补偿机制,使用热敏电阻等温度传感器来监测模块内部温度,并根据温度变化调整电路参数,以保持输出电压和电流的稳定。降低功耗:通过优化电路设计、采用低功耗元器件和高效的电源管理技术等方式降低电源模块的功耗,减少因功耗产生的热量,从而降低对散热系统的要求。严格测试和验证:在设计完成后,对电源模块进行严格的高温测试和验证,以评估其在高温环境下的性能和可靠性。这有助于发现并解决潜在的问题,确保电源模块在实际应用中能够稳定运行。

总结:电源模块在低温或高温环境下的设计技巧需要从多个方面入手,包括控制环境温度、选用合适的元器件、优化电路结构和布局、增强散热设计以及增加温度补偿机制等。这些措施的综合应用可以有效提高电源模块在极端温度环境下的性能和可靠性。


高工
2024-07-25 16:49:07     打赏
2楼

谢谢分享


院士
2024-07-26 07:36:54     打赏
3楼

谢谢楼主的分享~!


专家
2024-07-26 08:14:24     打赏
4楼

谢谢分享


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