DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)熱問題緣由

　　溫度測量方法

　　溫度測量對 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)對溫度進(jìn)行測量。然而，通常情況下，這并非是電路中溫度最高的一點(diǎn)。所以，出于對測量準(zhǔn)確性方面的考慮，應(yīng)直接對溫度最高的組件進(jìn)行測量(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 FET(場效應(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)測量方法來確定散熱性能，這種測量方法通過在各種電源組件上設(shè)置熱電偶來完成，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，致使更難以獲取測量組件真正的散熱狀況。

　　而且，熱電偶采用單點(diǎn)溫度測量法。再者，由于熱模式不易預(yù)測，因此并非總能清楚測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)的方式來測量散熱性能，這種測量技術(shù)既適用于受限測試設(shè)置方案，同時(shí)也適用于未受限測試設(shè)置方案。如圖 4 所示，電源模塊的熱成像是通過風(fēng)道一側(cè)的窗口來拍攝完成。

　　熱成像技術(shù)常用于電源組件可見的情況下，所以其能夠測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，同時(shí)還能確定組件布局方面存在的問題以及應(yīng)力過大的組件。再者，通過熱成像，電源廠商還可評估冷卻效果以及來自相鄰散熱片和組件的“影響”。

　　組件允許的最高溫度

　　通過測量組件的表面溫度，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]。

　　廠商通過采用這些更高的額定值，從而在產(chǎn)品說明書上宣揚(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)品說明書內(nèi)頁上的 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 測試設(shè)置方案更為可取?

　　測量散熱性能的方法之所以無對錯(cuò)之分，是因?yàn)槊恳环N方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢。例如，從受限測試設(shè)置方案中獲取的 SOA 曲線只能適用于與此測試設(shè)置相類似的環(huán)境中，而從未受限測試設(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，所以未受限測試設(shè)置方案為最保守的方法。

　　除了 SOA 測試設(shè)置之外，還有許多其他因素會(huì)影響測試結(jié)果。首先，氣流是通過風(fēng)速計(jì)測量得出的，還是通過容積計(jì)算得出的?但是，用于在模塊前端直接測量氣流的熱線風(fēng)速計(jì)能確保氣流測算的準(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)品說明書中予以標(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算得出的。

　　散熱測試結(jié)果評價(jià)

　　雖然大多數(shù)散熱性能通過采用散熱成像攝像頭中的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，但是實(shí)際的測試設(shè)置和測量方法會(huì)對測量結(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。未受限散熱測量方法用于生成如圖 6 所示的熱降額曲線，而受限散熱測量方法用于生成如圖 7 所示的熱降額曲線。在兩種測試設(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. 源自未受限測量方法的熱降額曲線。

　　圖7. 源自受限測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)可靠性方面的問題。