DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)熱問(wèn)題緣由

　DC/DC 電源模塊產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)上特別標(biāo)注的項(xiàng)目，通常會(huì)突出產(chǎn)品在系統(tǒng)中實(shí)際上不具備的電氣性能，這就向系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)，他們必須對(duì)不同廠商生產(chǎn)的模塊進(jìn)行電氣/散熱性能比較。因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確保為其終端設(shè)備選用的 DC/DC 電源模塊能夠在整個(gè)溫度應(yīng)用范圍內(nèi)提供所需的電氣/散熱性能。另外，測(cè)算實(shí)際系統(tǒng)環(huán)境中模塊所能輸出的最小和最大負(fù)載電流將成為確定電源成本和可靠性的最重要因素，因?yàn)檫@將有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以最低的成本獲得所需輸出電流的模塊。

　　電源模塊的電氣/散熱性能由其熱降額曲線來(lái)表示，這種曲線是判定模塊整體性能的最佳、最常用的手段。電源模塊廠商進(jìn)行了大量的散熱測(cè)試以生成不同的熱降額曲線，并在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中列出。圖 1 顯示了熱降額曲線在各種不同的氣流速度和環(huán)境溫度下，模塊所能輸出的最大電流。這樣，就設(shè)定了設(shè)備的安全工作區(qū) (SOA)——在未超過(guò)推薦散熱設(shè)計(jì)限額的情況下實(shí)現(xiàn)最大電氣輸出的工作條件。

　　圖1. 熱降額曲線。

　　熱降額曲線上的每一個(gè)點(diǎn)均代表相應(yīng)輸出電流和環(huán)境條件的交叉點(diǎn)(促使模塊中某種組件的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的限額)。在上述示例中，實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)需要 30A 的負(fù)載電流;環(huán)境條件包括 50°C 的環(huán)境溫度和低至 1.0 米/秒 (200 lfm)的氣流速度。在查閱模塊的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)后，從 SOA 曲線(圖 1)我們可以看出，在上述條件下，最大輸出額定電流為 30A 的模塊只能持續(xù)、可靠的輸出 23A 的電流。

　　根據(jù)熱降額曲線，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以判定所選用的模塊是否能在所需的環(huán)境溫度下輸出需要的電流、是否需要補(bǔ)充額外的氣流以及在罩殼中的濾波器出現(xiàn)阻塞、冷卻風(fēng)扇故障的情況下可用的預(yù)留容量。而且，根據(jù)散熱數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以判定是否必須減載運(yùn)行(使模塊在低于其最大輸出功率的情況下運(yùn)行)、增加冷卻空氣供應(yīng)量，或在某些情況下，加裝散熱片。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，許多 DC/DC 電源模塊并不能達(dá)到其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)上列出的輸出電流額定值。其中一個(gè)原因是電源模塊廠商提供的器件說(shuō)明書(shū)本身的問(wèn)題，另一個(gè)原因是電源模塊行業(yè)對(duì)獨(dú)立和非獨(dú)立 DC/DC 電源模塊沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的熱降額評(píng)定方法。

　　競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著從多家供應(yīng)商中選擇模塊的問(wèn)題。因此，DC/DC 電源模塊業(yè)務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈，其中一個(gè)方面就表現(xiàn)在器件說(shuō)明書(shū)方面——這已促使電源廠商以日趨創(chuàng)新的方式來(lái)描述其產(chǎn)品性能，以吸引潛在客戶的眼球。

　　然而，令人遺憾的是，當(dāng)解析廠商的熱降額數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行實(shí)際的比較就并非如此簡(jiǎn)單了。首先，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到降額測(cè)試細(xì)節(jié)的不同之處，比如氣流和環(huán)境溫度測(cè)量方法和位置、組件允許的最高溫度、電路板間距、以及測(cè)試設(shè)備都會(huì)對(duì)降額曲線產(chǎn)生重大的影響。由于存在這些不同，所以在未了解不同廠商發(fā)布的降額曲線的測(cè)量方法之前，就不能輕易對(duì)其進(jìn)行比較。

　　熱降額測(cè)量

　　目前，散熱性能測(cè)量還沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，兩種傳統(tǒng)的方法均采用在風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行空氣流速測(cè)量。這種設(shè)置模擬在當(dāng)今大多數(shù)具備分布式電源架構(gòu)的電子系統(tǒng)中的典型散熱環(huán)境。而且，在網(wǎng)絡(luò)、電信、無(wú)線和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備都在相似的環(huán)境中運(yùn)行，并采用垂直安裝的印刷電路板或柜架中的電路卡。

　　圖 2 顯示了一種典型的 SOA 受限測(cè)試設(shè)置方案：將電源模塊安裝在測(cè)試電路板上，并在風(fēng)道內(nèi)處于垂直方向。鄰近的電路板用于模擬卡架 (card rack) 環(huán)境，該電路板迫使空氣流向電源模塊的上方。而且，兩板塊的間距通常為模塊高度的兩倍。另外，這種風(fēng)道設(shè)置采用探測(cè)器來(lái)測(cè)量單點(diǎn)的氣流和環(huán)境溫度。

　　圖2. SOA 受限測(cè)試設(shè)置方案。[!--empirenews.page--]

　　一般而言，在電源模塊處于額定輸入電壓時(shí)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)負(fù)載電流在沒(méi)有負(fù)載至最大負(fù)載之間變化時(shí)，熱電偶或熱成像攝像頭用于測(cè)量主要組件的溫度，并在若干典型氣流值(通常從 0 至 2.5 米/秒)時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　在風(fēng)道中，有時(shí)采用煙氣對(duì)氣流進(jìn)行定性說(shuō)明。如圖 3 所示，受限測(cè)試設(shè)置模式減少了電源模塊中絲狀煙氣的間距，這表明了與在模塊前端測(cè)量得出的氣流比較而言，整個(gè)模塊中的氣流速度已有所提高。而且，面對(duì)印刷電路板平行面的氣流速度可從 1 米/秒提高至 2 米/秒。另外，采用這種方法的廠商認(rèn)為，此種方法能模擬相應(yīng)的卡架環(huán)境。

　　圖3. 氣流穿過(guò) SOA 受限測(cè)試設(shè)置時(shí)的情形[1]。

　　SOA 未受限測(cè)試設(shè)置的情形如圖 4 所示，此時(shí)，電源模塊焊接于風(fēng)道內(nèi)的測(cè)試電路板上。這種設(shè)置沒(méi)有面對(duì)印刷電路板的平行面。

　　圖4. SOA 未受限測(cè)試設(shè)置方案。

　　SOA 未受限測(cè)試設(shè)置方案允許空氣在模塊上方流動(dòng)而無(wú)需限制氣流速度，而且這并沒(méi)有像在受限測(cè)試設(shè)置方案中那樣減少流通截面積(提高氣流速度)。如圖 5 所示，模塊前端和模塊表面的絲狀煙氣間距保持相對(duì)不變，這表明了穿過(guò)模塊的氣流速度與在模塊前端測(cè)量得出的氣流速度相同。另外，在受限測(cè)試設(shè)置方案中，穿過(guò)模塊的氣流速度更高，從而生成變化更為陡峭 (aggressive) 的 SOA 曲線(在給定的氣流速度時(shí)，模塊將會(huì)輸出更大的電流)。

　　圖5. 氣流穿過(guò) SOA 未受限測(cè)試設(shè)置時(shí)的情形[2]。[!--empirenews.page--]

　　溫度測(cè)量方法

　　溫度測(cè)量對(duì) SOA 曲線的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。為此，部分廠商建議，在印刷電路板上的某一點(diǎn)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。然而，通常情況下，這并非是電路中溫度最高的一點(diǎn)。所以，出于對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性方面的考慮，應(yīng)直接對(duì)溫度最高的組件進(jìn)行測(cè)量(通常為 FET、控制 IC 以及磁性組件)，而且必須在組件的外殼或接頭[3]對(duì) FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的溫度進(jìn)行監(jiān)控。另外，大多數(shù)廠商采用自動(dòng)測(cè)量方法來(lái)確定散熱性能，這種測(cè)量方法通過(guò)在各種電源組件上設(shè)置熱電偶來(lái)完成，這些電源組件包括 FET、磁性組件以及在程序控制的作用下能夠監(jiān)控多種組件的熱攝像頭。

　　熱電偶之所以會(huì)影響小質(zhì)量組件的測(cè)量工作，是因?yàn)槠浣饘贅?gòu)造的影響——熱電偶將傳導(dǎo)與其接觸組件上的熱量，這樣，致使更難以獲取測(cè)量組件真正的散熱狀況。

　　而且，熱電偶采用單點(diǎn)溫度測(cè)量法。再者，由于熱模式不易預(yù)測(cè)，因此并非總能清楚測(cè)量所需熱電偶的安裝位置。鑒于此，電源廠商將熱電偶安裝于多個(gè)點(diǎn)。另外，由于電源模塊上將熱電偶與各點(diǎn)相連的導(dǎo)線會(huì)妨礙穿過(guò)組件的氣流，所以導(dǎo)致組件在更高的溫度下運(yùn)行。

　　目前，許多廠商采用熱(紅外線)成像技術(shù)來(lái)協(xié)助設(shè)計(jì)和突出其產(chǎn)品特征。熱成像攝像頭為主要組件的溫度測(cè)量提供了除熱電偶之外的另一種選擇。而且，熱成像技術(shù)采用多點(diǎn)的方式來(lái)測(cè)量散熱性能，這種測(cè)量技術(shù)既適用于受限測(cè)試設(shè)置方案，同時(shí)也適用于未受限測(cè)試設(shè)置方案。如圖 4 所示，電源模塊的熱成像是通過(guò)風(fēng)道一側(cè)的窗口來(lái)拍攝完成。

　　熱成像技術(shù)常用于電源組件可見(jiàn)的情況下，所以其能夠測(cè)量各組件的表面溫度。而且，所得成像可將模塊的整體散熱狀況清楚的呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)還能確定組件布局方面存在的問(wèn)題以及應(yīng)力過(guò)大的組件。再者，通過(guò)熱成像，電源廠商還可評(píng)估冷卻效果以及來(lái)自相鄰散熱片和組件的“影響”。

　　組件允許的最高溫度

　　通過(guò)測(cè)量組件的表面溫度，即可直接估算出組件內(nèi)部的核心溫度。同時(shí)，需要了解的還有半導(dǎo)體的結(jié)溫以及磁性部件的繞組溫度。另外，通過(guò)改變這些組件上設(shè)置的溫度限額，即可改變模塊的降額曲線，以及模塊在特定環(huán)境溫度時(shí)的額定輸出大小和氣流。

　　部分廠商通過(guò)將組件內(nèi)部溫度限額調(diào)至正常值以上而將其模塊的額定值提高——這將有助于提高散熱等級(jí)。例如，一家廠商會(huì)將結(jié)溫設(shè)置在接近于組件最大絕對(duì)額定溫度的條件下，運(yùn)行 FET，而另一家廠商則會(huì)將結(jié)溫限制在一個(gè)較低、更為保守的數(shù)值范圍內(nèi)。這些相反的設(shè)計(jì)條件會(huì)對(duì)電源模塊的整體性能和可靠性產(chǎn)生重大影響。例如，如果 FET 的運(yùn)行溫度從 115°C 提高至 125°C，同時(shí)其他所有的運(yùn)行條件保持不變，那么模塊的可靠性 MTBF 等級(jí)將從 929,368 小時(shí) (1076 FIT)變?yōu)?822,368 小時(shí)(1216 FIT)[4]。

　　廠商通過(guò)采用這些更高的額定值，從而在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上宣揚(yáng)其產(chǎn)品優(yōu)越的散熱性能。而廠商所宣稱的這些性能以及產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)內(nèi)頁(yè)上的 SOA 曲線圖使設(shè)計(jì)人員相信，他們自己就可以實(shí)現(xiàn)該模塊在更高的溫度下在其系統(tǒng)中可靠的運(yùn)行。然而，設(shè)計(jì)人員卻沒(méi)有意識(shí)到，如果在這些運(yùn)行條件下，持續(xù)使用該電源模塊，那么模塊的使用壽命將會(huì)縮短。

　　哪一種 SOA 測(cè)試設(shè)置方案更為可取?

　　測(cè)量散熱性能的方法之所以無(wú)對(duì)錯(cuò)之分，是因?yàn)槊恳环N方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，從受限測(cè)試設(shè)置方案中獲取的 SOA 曲線只能適用于與此測(cè)試設(shè)置相類似的環(huán)境中，而從未受限測(cè)試設(shè)置方案中獲取的 SOA 曲線的適用范圍更廣。另外，由于在許多實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中并未采用設(shè)置氣流限制的并行電路板，所以未受限測(cè)試設(shè)置方案為最保守的方法。

　　除了 SOA 測(cè)試設(shè)置之外，還有許多其他因素會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。首先，氣流是通過(guò)風(fēng)速計(jì)測(cè)量得出的，還是通過(guò)容積計(jì)算得出的?但是，用于在模塊前端直接測(cè)量氣流的熱線風(fēng)速計(jì)能確保氣流測(cè)算的準(zhǔn)確性最高。其次，氣流形式是擾動(dòng)的，還是分層的?而分層氣流屬于更為保守的方法。

　　目前，部分 DC/DC 電源模塊既有水平封裝形式，也有垂直封裝形式。其中一些安裝方位能實(shí)現(xiàn)較好的散熱性能，這些性能通常會(huì)在模塊產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中予以標(biāo)明。但是，設(shè)計(jì)人員必須了解其他安裝方位的散熱性能，并了解降額曲線是基于最佳方位還是最差方位測(cè)算得出的。

　　散熱測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)

　　雖然大多數(shù)散熱性能通過(guò)采用散熱成像攝像頭中的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，但是實(shí)際的測(cè)試設(shè)置和測(cè)量方法會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。圖 6 和圖 7 顯示了隔離式四分之一磚型電源模塊的一組熱降額曲線，該模塊在電流為 30A 時(shí)的額定輸出電壓為 3.3V。未受限散熱測(cè)量方法用于生成如圖 6 所示的熱降額曲線，而受限散熱測(cè)量方法用于生成如圖 7 所示的熱降額曲線。在兩種測(cè)試設(shè)置方案中，最高組件溫度、安裝方位以及氣流方向都相同。[5]

　　圖6. 源自未受限測(cè)量方法的熱降額曲線。

　　圖7. 源自受限測(cè)量方法的熱降額曲線。

　　當(dāng)溫度為 70°C、氣流速度為 1.0米/秒(200lfm)時(shí)，未受限設(shè)置方案中的降額曲線表明，模塊應(yīng)在最大電流為 18A 的條件下運(yùn)行(如圖 6 所示);而在氣流受限設(shè)置的情況下測(cè)量同一模塊時(shí)，降額曲線表明，模塊可在最大電流達(dá) 23A 的條件下運(yùn)行(如圖 7 所示)。因此，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品配置與受限設(shè)置不一致，將導(dǎo)致重大的風(fēng)險(xiǎn)——模塊的內(nèi)部組件將在比廠商推薦標(biāo)準(zhǔn)高得多的溫度下運(yùn)行，從而可能在以后引發(fā)可靠性方面的問(wèn)題。[!--empirenews.page--]

　　總結(jié)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員常常發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)上的輸出電流額定值與熱降額曲線圖所示的實(shí)際輸出電流不一致，這種狀況導(dǎo)致產(chǎn)品比較工作相當(dāng)困難。而且，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)上特別標(biāo)注的項(xiàng)目也未提及測(cè)量降額曲線的測(cè)試條件。這就是為什么在進(jìn)行散熱性能的比較前，設(shè)計(jì)人員必須查看產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的內(nèi)頁(yè)。在許多情況下，電源模塊實(shí)際能輸出的電流通常低于廠商在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)中載明的數(shù)值。這種情況主要是由于測(cè)試設(shè)置和運(yùn)行條件的差異造成的。

　　首先，為了弄清楚模塊的散熱性能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須明確是采用熱成像攝像頭，還是熱電偶來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。其次，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須弄清楚是在印刷電路板的單點(diǎn)測(cè)量溫度，還是出于對(duì)更高準(zhǔn)確性的考慮，直接在諸如 FET、控制 IC 以及磁性部件等多組件處測(cè)量溫度。再者，就是弄清楚散熱測(cè)試設(shè)置模式。部分廠商采用未受限設(shè)置方案;而其他一些廠商采用受限設(shè)置方案——從而生成變化更為陡峭的 SOA 曲線。最后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須弄明白當(dāng)評(píng)價(jià)散熱性能時(shí)，廠商是否允許內(nèi)部組件的溫度接近或達(dá)到最大溫度限額。

　　為了消除 DC/DC 電源模塊選擇過(guò)程中的干擾因素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎對(duì)待富于創(chuàng)意性的市場(chǎng)營(yíng)銷宣傳。換言之，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須對(duì)散熱數(shù)據(jù)和降額曲線進(jìn)行仔細(xì)、嚴(yán)格的核查，或最好在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)評(píng)價(jià)模塊的散熱性能，來(lái)比較不同模塊的性能。