沈 悦

（上海华为技术有限公司，上海 201206）

1 MOS的基本结构及损耗

常用的功率MOS管从主要工艺结构上划分，一般可分为平面型和垂直型两种。随着设计及工艺的不断革新，MOS结构已由早期的平面型逐渐演变到垂直型，如图1所示。特别是近年来的U型垂直沟道结构，由于采用U型栅，形成的纵向沟道截流面积相比平面工艺更大，有效减小了导通电阻，因其更优的FOM参数而被大量应用于主功率开关变换拓扑。一般开关变换应用中，MOS管的损耗主要由导通状态损耗、开关交叠损耗以及栅极驱动损耗构成。由于驱动损耗一般占比较小，因此MOS损耗一般为导通损耗+开关损耗。

图1 垂直沟道MOS管

导通状态下，MOS管的主要损耗来自于工作电流在导通电阻上产生的热耗，即：

其中，Rdson为MOS管的导通电阻，Kth为归一化温度系数。从MOS管沟道导通后工作电流的路径来看，MOS管单个元胞的Rdson主要由S极n+重掺杂区电阻、沟道电阻、n-外延层电阻和衬底电阻组成。对于通信应用的80 V、100 V MOS管，沟道电阻和外延层电阻是构成MOS管导通电阻的主要部分。因此，导通损耗主要集中在沟道附近，该温度即Tj节温。

开关状态下MOS管的主要损耗来自于漏极电压与工作电流交叠部分产生的热耗。而MOS管实际的开关交叠过程中，因为负载和寄生参数的影响，电压与电流的交叠部分比较复杂，这部分损耗很难准确计算。为了简化前期计算过程，可以考虑最差情况与理想情况，实际损耗则介于两者之间。

（1）最差情况下，MOS管电压电流不同时变化，即Vds电压下降前，Imos负载电流逐渐增加到负载电流Id，随后Id电流不变，Vds电压逐渐减掉到最小值。这种情况下的交叠损耗最大，可以按照Psw=1/2×Vds×Id×t×f来估算，其中t为交叠时间。

（2）理想情况下，认为Vds与Imos同时变化，即MOS管开启后Vds电压开始逐渐减小，Cgd开始变大，在米勒平台过程中Imos逐步增大。这种情况下的开关损耗为 Psw=(1/2)×∫Vds×Id×dt≈ 1/6×Vds×Id×t×f。

在高温环境应用时，来自周围器件的热辐射和通过PCB传导来的热量，会使MOS管本身温度升高。节温的升高、电气参数的漂移等因素，最终会影响器件的应用可靠性及寿命。因此，设计初期结合系统实际情况，根据系统热仿结果，选择合适的PCB布局、PCB板材、覆铜、过孔以及合适的散热方式等，对于MOS管的散热至关重要。

2 基于实际场景下的系统降温措施

产品实际全桥应用中，原边单颗MOS的损耗为1.3～1.4 W（36 V输入时导通损耗0.67 W、开关损耗0.56 W、驱动损耗0.06 W；57 V输入时导通损耗0.41 W、开关损耗0.94 W、驱动损耗0.06 W），副边单颗MOS的损耗为1.1～1.2 W（36 V输入时导通损耗0.82 W、体二极管损耗0.14 W、驱动损耗0.24 W；57 V输入时导通损耗0.7 W、体二极管损耗0.14 W、驱动损耗0.24 W）。由于电源模块位于系统风道下游，前级的热量经过层层累积，最终到达电源模块时，经实测环境温度已高达95 ℃，高出仿真值10 ℃，而原副边MOS管的温度更是超过130 ℃，严重超出温度降额要求。经过分析，主要原因有2个：（1）系统风阻过大，导致风量不足，且过高的环境温度导致MOS管损耗进一步增加；（2）变压器作为第二个热源，通过互连的铜皮烘烤四周临近的MOS管。

针对第一个原因，首先从系统方面考虑，从以下几个方面进行优化尝试：

（1）在满足寿命及室内机房噪声标准的前提下，提高风扇转速和系统风量；

（2）调整机框钣金结构竖梁位置、风道内前后对齐、结构面增加开窗面积、机壳增加开孔面积以及横隔板进行表面处理等，减少系统风阻；

（3）机框内部分位置增加堵片，防止系统入风气流短路及回流，减少风量损失；

（4）其他方面，如高度优化基带板和电源模块散热器、调整高器件位置等。

经过实际测试，风扇提速收益最明显，转速及风量同比例提高10%后电源模块环境温度可减少5 ℃，但实际受限于噪声标准限制，实际风扇提速有限。

3 基于实际场景下的单点降温措施

针对谈到的第二个原因，关于单点热源方面的散热优化，首先要保证器件与PCB之间的高效热导，其次对PCB进行直接散热来达到对高温器件的间接散热效果。对于单面表贴、单面散热的MOS管（如主流SO8封装），散热主要有2种途径：（1）通过MOS内部的金属连线将DIE温度纵向传导至PCB焊盘，再通过PCB焊盘下侧的热过孔分散到PCB每一层相连的铜皮中，以PCB为载体横向传导温度，最终通过机壳耗散至空气中；（2）通过DIE向上传导到MOS表面外壳上，再向空中辐射。由于SO8单面散热MOS管外壳一般为树脂材质，热阻大，因此热耗中一般超过90%的部分通过第一条路径传递，只有不到10%的部分通过第二条路径传递，如图2所示。可见，MOS散热的关键是降低周围PCB的温度，即在功率MOS选型明确后，最重要的是能够通过有效的方式提高PCB的热交换率，无论是对流或是传导方式。

图2 SO8 MOS散热路径

3.1 PCB焊盘、热过孔优化

单纯从热传导方面考虑，增加热过孔数量或增大热过孔孔径，对有利于散热。但是，受限于工艺约束，过多的过孔数量会导致MOS管有效焊接面积下降，反而恶化了接触面热阻，从而导致散热效果变差。此外，过大的孔径也会导致回流焊时PCB底层发生透锡情况而产生安规绝缘问题。受限于PCB面积及布局，通过焊盘本身尺寸优化来加强散热非常有限。最终，在满足工艺焊接质量要求的前提下进行折中处理，从表层3×3 VIA10优化到4×4 VIA12，并在内层每层进行铜连接，最终实测MOS管温度收益2～3 ℃。

3.2 PCB走线及亮铜优化

基于PCB通流仿真结果，优化变压器原副边MOS管的走线宽度及回流路径，使MOS并管之间尽可能均流，同时在主回路的表层铜皮进行亮铜处理，通过近板位置的对流提升表层铜与空气之间的热交换效率，实测热点PCB温度（MOS焊盘附近）收益在2 ℃。

3.3 PCB增加整体式散热器

MOS管上方增加一体式散热器，通过导热垫直接与MOS管及周围PCB亮铜区域接触，可以降低不同位置处PCB的温差，起到较好的均温效果，同时可以给焊盘进行辅助散热。实测原边MOS管高温点降低7 ℃，低温点升高3 ℃，收益明显。但是，散热器安装需要牺牲较大的空间，同时产线结构装配需要增加工序，实现代价较大。

3.4 PCB增加单点散热器

一般变压器和MOS管热耗都较大，两者布局也会相互靠近以减小环路面积，因此两者会通过互联的铜皮相互烘烤，取决于热点是变压器或是MOS。该产品中变压器为平面表贴式，铜损占大头约15 W，通过表贴散热器进行散热。但是，内芯线圈绕组因无法直接接触散热器，因此热量最终通过引脚传导至PCB，加热了PCB及相连的MOS管，使MOS管温度更高。通过在热点铜皮处表贴小铜柱，类似于给PCB安装了微型散热器，增加了PCB的散热面积，在铜柱周围形成的紊流能够实现更好的热量交换，相当于间接为变压器进行散热。但是，该方案也变相增加了动点面积，在MOS开关边沿高频谐波会恶化，因此需要考虑对RE的影响。实测由此带来的MOS管温度收益原边约2 ℃，副边 4 ℃。

3.5 PCB底板结构件优化

该产品PCB底部设计有铝基板结构件，作用为：（1）减少热点冷点间温差，实现整板均温；（2）提供低热阻路径，将PCB热量传导至机框。但是，从实际测试结果来看，仍有以下几点影响了实际的导热效果：（1）基板表面未抛光处理，导致与PCB有效接触面积减小；（2）与PCB固定的几个铆钉位置间距过大，导致锁紧后仍有较大的气隙，增大了热阻；（3）关键MOS下方有铆钉，导致MOS下方PCB背面无法紧贴铝基板。经过这几点优化，最终实测MOS温度收益4 ℃左右。

3.6 其他方面

去除电源模块屏蔽罩、变压器下沉夹心等，均对MOS温度有一定收益，但从生产角度讲实现代价高，不便于海量产品化。最终，通过系统侧及模块单点侧的若干优化措施，做到了原副边MOS管温度在全输入范围及全负载范围内保持在120 ℃以下，达到了器件降额要求，满足产品可靠性应用要求，并成功投放市场。

4 结 论

对于高温应用场景的电源模块，需要保证环境拉偏、边缘场景条件下的温度降额，以达到产品可靠性的设计要求。最佳的散热优化是尽可能提升效率，减小器件自身的热耗，即从热源角度进行优化。但是，很多情况下受限于各种条件，当器件选型受限或器件无法进一步优化的情况下，可以从散热路径上继续优化，并结合系统自身散热方案特点进行整体或者单点优化。另外，散热方案受结构、工艺以及成本等诸多因素的限制，很难有一步到位的效果，尤其在后期可接受的范围内的调整非常微小，但是多个微小的优化同样可以满足最终的系统散热要求。