電源是所有電子設(shè)備的核心。它通常需要在相對緊湊的空間中通過低成本來提供高功率和高電壓，為了滿足這些需求，電源設(shè)計(jì)人員必須充分發(fā)揮創(chuàng)意與技能。

但是創(chuàng)意需要依靠豐富的專業(yè)知識，電源設(shè)計(jì)尤為如此。為了解決電源噪聲、時(shí)序和效率要求，這全都離不開專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。遺憾的是，熱管理解決方案的反饋回路并非總是這樣直接。雖然令人驚嘆的強(qiáng)大熱工具可以非常準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)溫、殼溫和環(huán)境溫度的分布情況，但是與了解具體的溫度相比，想要確定合適的溫度通常是一件更加困難的事情。

降額方法一直是一種值得商榷的做法，但它在老式電子產(chǎn)品中有一定的合理性。因?yàn)橐话愎虘B(tài)機(jī)制通常需要幾十年甚至數(shù)百年，才會(huì)逐漸出現(xiàn)性能劣化、進(jìn)而導(dǎo)致大量故障。降額策略更多關(guān)注的是功能（參數(shù)漂移等），其次才考慮可靠性。如今，可靠性問題已變得日益顯著，由于需要在更緊湊的空間內(nèi)容納更多功能，如此精細(xì)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在幾年內(nèi)或者甚至幾個(gè)月內(nèi)就會(huì)發(fā)生性能劣化，即便設(shè)計(jì)人員遵守了傳統(tǒng)的降額方法也是如此。

在電源設(shè)計(jì)中，與溫度循環(huán)和可靠性有關(guān)的最受關(guān)注的組件技術(shù)包括：

• 磁性（變壓器/扼流圈）通特性

• 光耦元件/發(fā)光二極管（LED）網(wǎng)絡(luò)接入相關(guān)問題

• 電容器（電解/陶瓷/薄膜）

• 集成電路

• 焊點(diǎn)

我們首先探討變壓器和扼流圈等磁性元件，是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)審核和組件應(yīng)力分析階段出現(xiàn)溫度問題時(shí)，通常不考慮這類組件技術(shù)。因?yàn)樽儔浩饕话阋彩嵌ㄖ粕a(chǎn)，許多變壓器甚至沒有提供溫度額定值。那么，如何判斷磁性元件發(fā)生過熱情況？

發(fā)光二極管（LED）一般在電源中用作指示燈或光耦技術(shù)的發(fā)光器件。LED的自然使用壽命會(huì)隨著磨損而結(jié)束。有源區(qū)內(nèi)部的缺陷會(huì)刺激成核和位錯(cuò)增長，這尤其會(huì)受到溫度和電流的影響。

電解電容器是設(shè)計(jì)人員在溫度影響方面最需要關(guān)心的組件。眾所周知，作為唯一一種依靠液體才能正常工作的電子組件，電解電容器由于液體電解質(zhì)逐漸蒸發(fā)而具有有限的使用壽命。電解質(zhì)的喪失會(huì)導(dǎo)致電容逐漸減小，等效串聯(lián)電阻（ESR）增大。基于此，除了電壓、電流（紋波）、溫度等標(biāo)準(zhǔn)的元件額定值以外，所有電解電容器制造商也都提供了額定的使用壽命。

為滿足電源設(shè)計(jì)人員對更高性能的期望，陶瓷電容器制造商已經(jīng)大幅提高了給定封裝尺寸（0402、0603等）的電容量。這種電容器技術(shù)的改進(jìn)需要增加介電層數(shù)量（>300），同時(shí)減少介電層厚度1（參見圖14）。但是，額定電壓無法跟上陶瓷電容器介電層的厚度減少速度，造成介電層上的電場顯著增強(qiáng)。

薄膜電容器可能因兩種故障機(jī)制而發(fā)生故障，每一種都對溫度敏感：首先是部分放電（也被稱為電暈）。這是薄膜電容器的自愈機(jī)制，然而過高的水平可能破壞大面積的聚酯介電層，導(dǎo)致所測的電容值下降。部分放電通常在低于額定電壓的電壓下開始出現(xiàn)（參見下面的幾種275V薄膜電容器），但隨著施加電壓的降低，這種情況會(huì)顯著減少。

由于設(shè)計(jì)中采用的復(fù)雜集成電路可能在使用壽命期間發(fā)生損耗，或者甚至出現(xiàn)故障，因此有必要了解使用條件和環(huán)境條件對這些組件的影響。主要問題是亞微米工藝技術(shù)會(huì)導(dǎo)致器件在使用壽命內(nèi)發(fā)生損耗，這個(gè)時(shí)間要遠(yuǎn)早于最初預(yù)計(jì)出現(xiàn)損耗的時(shí)間。

焊點(diǎn)，也被稱為互聯(lián)，可用于提供電子組件（無源、分立和集成）、基板或電路板之間的電氣、熱和機(jī)械連接。焊點(diǎn)包含一級連接（芯片到基板）或二級連接（組件封裝到印刷電路板）。

雖然上述問題顯而易見，但由于缺乏有效的工具，電源設(shè)計(jì)人員一直難以解決這些問題。正如前文所討論的，大多數(shù)工具要么重點(diǎn)放在預(yù)測溫度（而非其影響）上，要么過于簡單，比如降額或MTBF，它們不能真正反映溫度導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

更可行的方法是使用可靠性物理分析，通過經(jīng)過驗(yàn)證的算法并綜合使用環(huán)境、材料和架構(gòu)信息，預(yù)測性能劣化行為，開展權(quán)衡分析，從而準(zhǔn)確地指導(dǎo)并預(yù)測電源性能。Ansys推出的Sherlock Automated Design Analysis?軟件，有助于填補(bǔ)設(shè)計(jì)工具功能上的空白。

Ansys Sherlock使用故障物理（PoF）方法幫助電源工程師更清楚地了解何時(shí)發(fā)生過熱。它將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)信息（ODB、Gerber、網(wǎng)表等）與綜合性嵌入式數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，以提供開展這些復(fù)雜計(jì)算所需的輸入信息，簡化的軟件架構(gòu)可確保在幾分鐘內(nèi)完成數(shù)千次計(jì)算并顯示結(jié)果。最重要的是，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在能在遠(yuǎn)早于制造任何原型之前開展這類分析。