一種POL終端匹配電源的熱模擬研究

摘要：介紹了一種廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)器、CPU等高速信號(hào)端口的POL終端匹配電源的工作原理。根據(jù)電源各元器件的功耗，建立該電源的熱模型，并利用ICEPAK軟件對(duì)其進(jìn)行熱模擬仿真。通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，確認(rèn)模型和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。此熱模擬仿真方法可廣泛用于同類電源的熱評(píng)估。
關(guān)鍵詞：POL；功耗；ICEPAK；熱模型；仿真

0 引言
    POL(P0int Of LOad)終端匹配電源廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)器、CPU等高速信號(hào)端口。端口電壓能夠自動(dòng)跟蹤1／2主電源的電壓，并輸出或吸入信號(hào)的匹配電流。本文中自主研制的端口匹配電源DDRl2V4520，輸出穩(wěn)壓精度高、響應(yīng)快、電壓設(shè)定數(shù)字化，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)工程項(xiàng)目，實(shí)際使用效果良好。本文對(duì)比該電源的熱模擬仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，評(píng)估電源的溫升，確認(rèn)了模型的準(zhǔn)確性。在以后的同類電源設(shè)計(jì)中，通過(guò)仿真計(jì)算，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)電源的熱工作狀況。

1 工作原理
    電源DDR12V4520的主電源輸出電壓為1．5V～2．8V，額定輸出電流45A。匹配電源跟蹤l／2主電源電壓，可以輸出或吸入電流，額定容量20A。圖l是該電源的原理圖。圖2給出了完成貼裝焊接的電源DDRl2V4520的實(shí)物照片。主電源控制器為ADP3163(Analog Devices)，匹配電源控制器為MAXl917(Maxim)。主電源的功率器件采用三合一DrMOSR2J20601(Renesas)，匹配電源的功率器件是FDD6035AL和FDD8870(Fairchild)。輸出采用低串聯(lián)阻抗固體有機(jī)膜電容器濾波，實(shí)用效果十分理想。主電源的輸出電壓通過(guò)5位VID碼設(shè)定(ADP3163)，使用十分方便，電壓精度可達(dá)0．025V。
    主電源功率器件DrMOS R2J20601是Renesas公司推出的一種新型的三合一芯片。該芯片集兩個(gè)MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路于一體，具有工作頻率高、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、封裝小、輸出電流大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，十分適用于低電壓、大電流的應(yīng)用場(chǎng)合。圖3給出了該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖4給出了該芯片的實(shí)物圖。

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2 熱模型
    利用ICKPAK軟件進(jìn)行熱模擬仿真，首先需要建立熱仿真模型。因此需要估算電源的各元器件的功耗，來(lái)確定仿真參數(shù)。表1給出了電源在滿負(fù)荷與半負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)的參數(shù)。
    估算電感的損耗時(shí)，分為銅損和鐵損來(lái)估算。銅損為電流的直流分量在電感中產(chǎn)生的損耗，鐵損為電流的交流分量產(chǎn)生的損耗。對(duì)于電源中的電容、電阻等常規(guī)元件的功耗評(píng)估不再贅述，重點(diǎn)討論一下主電源與匹配電源功率器件的功耗估算。
    電源工作頻率為600kHz，主電源功率器件有3片DrMOS R2J20601(Renesas)，因此單個(gè)器件工作頻率為200kHz。根據(jù)參考文獻(xiàn)中提供的典型工作數(shù)據(jù)曲線，可得滿負(fù)荷工作情況下的單個(gè)該器件LOSS=2．

    同樣在滿負(fù)荷工作狀態(tài)，實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境溫度、風(fēng)冷條件與仿真條件相同的情況下，對(duì)電源進(jìn)行考機(jī)試驗(yàn)，得到電源A面與B面的溫度實(shí)際測(cè)量結(jié)果分別如圖5(b)、圖6(b)所示。

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    2)半負(fù)荷工作狀態(tài)
    在仿真軟件ICEPAK中，設(shè)置環(huán)境溫度為17℃，強(qiáng)迫風(fēng)冷，風(fēng)速為0．8m／s，風(fēng)向不變。在半負(fù)荷工作狀態(tài)下，電源的A面與B面仿真計(jì)算結(jié)果分別如圖7(a)、圖8(a)所示。

    在相同的工作狀態(tài)、試驗(yàn)條件下，對(duì)電源DDR12V4520進(jìn)行考機(jī)試驗(yàn)，得到電源A面與B面的溫度實(shí)際測(cè)量結(jié)果分別如圖7(b)、圖8(b)所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
    ICKPAK仿真模型建立得不能太復(fù)雜，單體尺寸不能相差太大，否則網(wǎng)格劃分時(shí)數(shù)量過(guò)多。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)小于20萬(wàn)時(shí)，單機(jī)運(yùn)算速度良好；大于40萬(wàn)時(shí)，運(yùn)算速度過(guò)于緩慢而影響計(jì)算。本試驗(yàn)中的風(fēng)道截面為120mm×120mm，如何測(cè)量風(fēng)速十分關(guān)鍵。使用普通的風(fēng)機(jī)式測(cè)風(fēng)儀，會(huì)破壞整個(gè)試驗(yàn)風(fēng)道的平衡，不適用于本試驗(yàn)，只適合于大環(huán)境的測(cè)量，例如機(jī)艙級(jí)或者機(jī)房級(jí)的測(cè)量。為了保證試驗(yàn)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)使用了點(diǎn)狀測(cè)風(fēng)儀(EATVS一4W／Sensor)，對(duì)原風(fēng)道基本沒(méi)有影響，測(cè)量三個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速，取其算術(shù)平均值，因此所得的風(fēng)速測(cè)量值十分可信。
    計(jì)算所得的效率與實(shí)測(cè)的效率有一些差異，主要的原因是功率芯片的功耗計(jì)算值不夠精確，文獻(xiàn)中提供的功耗是在25℃時(shí)的給定值，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，溫度上升會(huì)使功耗有所上升。
    L1，L2，L3上方的PCB區(qū)域有很多過(guò)孔，電流從B面通過(guò)這些過(guò)孔流到A面，引發(fā)PCB局部發(fā)熱。在計(jì)算時(shí)，沒(méi)有將過(guò)孔建立發(fā)熱模型，只是PCB整體均勻發(fā)熱，所以局部的溫度分布不很真實(shí)，L2上方測(cè)溫點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值有6℃左右的差異。
    如表3所示，計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值比較接近，說(shuō)明模型和計(jì)算方法基本正確，可廣泛應(yīng)用于電源模塊的熱能工作狀態(tài)評(píng)估。在今后的同類電源設(shè)計(jì)驗(yàn)證中可采用此模擬仿真方法，無(wú)需搭建復(fù)雜的試驗(yàn)平臺(tái)，可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證步驟，縮短設(shè)計(jì)周期，有效提高了設(shè)計(jì)效率，具有很大的實(shí)用價(jià)值。