DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)熱問題分析

DC/DC 電源模塊產(chǎn)品說明書首頁上特別標(biāo)注的項目，通常會突出產(chǎn)品在系統(tǒng)中實際上不具備的電氣性能，這就向系統(tǒng)設(shè)計人員提出了挑戰(zhàn)，他們必須對不同廠商生產(chǎn)的模塊進行電氣/散熱性能比較。因為系統(tǒng)設(shè)計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溫度應(yīng)用范圍內(nèi)提供所需的電氣/散熱性能。另外，測算實際系統(tǒng)環(huán)境中模塊所能輸出的最小和最大負載電流將成為確定電源成本和可靠性的最重要因素，因為這將有助于系統(tǒng)設(shè)計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。電源模塊廠商進行了大量的散熱測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)計限額的情況下實現(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點均代表相應(yīng)輸出電流和環(huán)境條件的交叉點(促使模塊中某種組件的溫度達到預(yù)先設(shè)定的限額)。在上述示例中，實際應(yīng)用中將會需要 30A 的負載電流;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)計人員還可以判定是否必須減載運行(使模塊在低于其最大輸出功率的情況下運行)、增加冷卻空氣供應(yīng)量，或在某些情況下，加裝散熱片。

在實際應(yīng)用中，許多 DC/DC 電源模塊并不能達到其產(chǎn)品說明書首頁上列出的輸出電流額定值。其中一個原因是電源模塊廠商提供的器件說明書本身的問題，另一個原因是電源模塊行業(yè)對獨立和非獨立 DC/DC 電源模塊沒有標(biāo)準(zhǔn)的熱降額評定方法。

競爭環(huán)境

系統(tǒng)設(shè)計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)的競爭相當(dāng)激烈，其中一個方面就表現(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，進行實際的比較就并非如此簡單了。首先，系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)考慮到降額測試細節(jié)的不同之處，比如氣流和環(huán)境溫度測量方法和位置、組件允許的最高溫度、電路板間距、以及測試設(shè)備都會對降額曲線產(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)布的降額曲線的測量方法之前，就不能輕易對其進行比較。

熱降額測量

目前，散熱性能測量還沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，兩種傳統(tǒng)的方法均采用在風(fēng)道內(nèi)進行空氣流速測量。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、無線和先進的計算機系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備都在相似的環(huán)境中運行，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 受限測試設(shè)置方案：將電源模塊安裝在測試電路板上，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)置采用探測器來測量單點的氣流和環(huán)境溫度。

圖2. SOA 受限測試設(shè)置方案。