求解每個熱源功率損耗的新方法
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
一 引言
DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率和功率損耗是許多電子系統(tǒng)的一個重要特征參數(shù)。可以測量出這些特征參數(shù)，并用下面的直觀方式進行表達：
效率 = 輸出功率 / 輸入功率 （1）
功率損耗 = 輸入功率-輸出功率 （2）
但是對于每個元器件做為一個單獨熱源在損耗中所占的比重，這樣的結(jié)果沒有提供任何信息。而我們的方法學能讓設(shè)計者更好地選擇針對其應(yīng)用的最佳DC-DC實現(xiàn)方案。
二 降壓轉(zhuǎn)換器的實例
降壓轉(zhuǎn)換器中的主要熱源是高邊MOSFET、低邊MOSFET和電感器。如果我們使用電工學方法來判定高邊MOSFET的功率損耗，那么就必須測量漏極電流、漏源電壓、柵極電流和柵源電壓。不幸的是，如果不在電流路徑中引入額外的電感和干擾電路的正常工作，要在高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器中測得這些數(shù)據(jù)是非常困難的。但借助熱成像攝像機，我們研究出一種求解每個熱源功率損耗的新方法，而且不會影響電路的工作。
三 新方法的基本原理
在一個電路中，將電能轉(zhuǎn)換為熱能的元器件是熱源。能量轉(zhuǎn)換成熱會增加熱源器件的和周圍環(huán)境的溫度。轉(zhuǎn)變成熱的能量就是元器件的功率損耗。整個溫升（？T）取決于功率損耗（P）和環(huán)境。對于一個在固定測試臺上的某塊PCB板，？T是功率損耗的唯一函數(shù)。因此，如果我們測量出？T，就可以推導計算每個熱源功率損耗的方法。
四 基本原理的推導
為簡單起見，假設(shè)在PCB板上有兩個熱源（HS1和HS2）。HS1工作時不但使其自身的表面溫度會升高，也會提高HS2的表面溫度，對HS2來說也是如此。因此，每個熱源的最終？T可以用下面的等式來表示。
Sij （i， j = 1，2）是熱敏感度系數(shù)，與熱阻的度數(shù)相同
Pi是每個熱源的功率損耗
等式（3）也可以擴展到N個熱源的情況。在這種情況下，每個熱源的溫升可以由下式給出。
S是一個N x N的矩陣
如果我們知道S的數(shù)值，就可以由下式得到每個熱源的功率損耗。
假設(shè)Sij與溫度或電路的工作狀態(tài)無關(guān)，那么就可以由等式6確定每個Sij。
這里，DTi是第i個熱源的溫升，Pj是第j個熱源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。
每次我們都使用簡單的直流技術(shù)給一個熱源供電，這樣就可以以非侵入式方式測量熱敏感度的系數(shù)。我們對被測器件（IC，MOSFET和電感器）施加直流電壓和電流，迫使器件開始消耗能量，然后測出Pj。然后我們使用熱成像攝像機測量表面溫度的？Ti，接著就可以用上面的等式（6）計算出Sij。
我們使用了新的方法學計算兩個降壓拓撲的主熱源：一個使用SiC739D8 DrMOS IC的集成式功率級，和一個使用兩個MOSFET的分立式功率級，在分立式功率級中，Si7382DP在高邊，Si7192DP在低邊。
一 引言
DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率和功率損耗是許多電子系統(tǒng)的一個重要特征參數(shù)。可以測量出這些特征參數(shù)，并用下面的直觀方式進行表達：
效率 = 輸出功率 / 輸入功率 （1）
功率損耗 = 輸入功率-輸出功率 （2）
但是對于每個元器件做為一個單獨熱源在損耗中所占的比重，這樣的結(jié)果沒有提供任何信息。而我們的方法學能讓設(shè)計者更好地選擇針對其應(yīng)用的最佳DC-DC實現(xiàn)方案。
二 降壓轉(zhuǎn)換器的實例
降壓轉(zhuǎn)換器中的主要熱源是高邊MOSFET、低邊MOSFET和電感器。如果我們使用電工學方法來判定高邊MOSFET的功率損耗，那么就必須測量漏極電流、漏源電壓、柵極電流和柵源電壓。不幸的是，如果不在電流路徑中引入額外的電感和干擾電路的正常工作，要在高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器中測得這些數(shù)據(jù)是非常困難的。但借助熱成像攝像機，我們研究出一種求解每個熱源功率損耗的新方法，而且不會影響電路的工作。
三 新方法的基本原理
在一個電路中，將電能轉(zhuǎn)換為熱能的元器件是熱源。能量轉(zhuǎn)換成熱會增加熱源器件的和周圍環(huán)境的溫度。轉(zhuǎn)變成熱的能量就是元器件的功率損耗。整個溫升（？T）取決于功率損耗（P）和環(huán)境。對于一個在固定測試臺上的某塊PCB板，？T是功率損耗的唯一函數(shù)。因此，如果我們測量出？T，就可以推導計算每個熱源功率損耗的方法。
四 基本原理的推導
為簡單起見，假設(shè)在PCB板上有兩個熱源（HS1和HS2）。HS1工作時不但使其自身的表面溫度會升高，也會提高HS2的表面溫度，對HS2來說也是如此。因此，每個熱源的最終？T可以用下面的等式來表示。
Sij （i， j = 1，2）是熱敏感度系數(shù)，與熱阻的度數(shù)相同
Pi是每個熱源的功率損耗
等式（3）也可以擴展到N個熱源的情況。在這種情況下，每個熱源的溫升可以由下式給出。
S是一個N x N的矩陣
如果我們知道S的數(shù)值，就可以由下式得到每個熱源的功率損耗。
假設(shè)Sij與溫度或電路的工作狀態(tài)無關(guān)，那么就可以由等式6確定每個Sij。
這里，DTi是第i個熱源的溫升，Pj是第j個熱源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。
每次我們都使用簡單的直流技術(shù)給一個熱源供電，這樣就可以以非侵入式方式測量熱敏感度的系數(shù)。我們對被測器件（IC，MOSFET和電感器）施加直流電壓和電流，迫使器件開始消耗能量，然后測出Pj。然后我們使用熱成像攝像機測量表面溫度的？Ti，接著就可以用上面的等式（6）計算出Sij。
我們使用了新的方法學計算兩個降壓拓撲的主熱源：一個使用SiC739D8 DrMOS IC的集成式功率級，和一個使用兩個MOSFET的分立式功率級，在分立式功率級中，Si7382DP在高邊，Si7192DP在低邊。
A.集成式降壓轉(zhuǎn)換器
圖1
圖1顯示了用于集成式降壓轉(zhuǎn)換器的EVB前端。這里有4個熱源：電感器（HS1），驅(qū)動IC（HS2），高邊MOSFET（HS3）和低邊MOSFET（HS4）。SiC739 DrMOS是一個單芯片解決方案，其內(nèi)部包含的HS2、HS3和HS4靠得非常近。由于這里有4個熱源，因此S是一個4x4矩陣。
圖2顯示了當?shù)瓦匨OSFET的體二極管是前向偏置時（AR0x Avg. =》 HSx），4個熱源的溫度。
如果 TA 為 23.3 ？C，那么，
（8）
測得的電流I4和電壓V4分別是2.14A和0.6589V。
P4 = I4？V4 = 1.41W （8）
使
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