DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)熱問題分析

DC/DC 電源模塊產(chǎn)品說明書首頁(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)品說明書中列出。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)品說明書后，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)品說明書首頁(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明書本身的問題，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)在器件說明書方面——這已促使電源廠商以日趨創(chuàng)新的方式來描述其產(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。