作者：Flex Power Modules專業(yè)研發(fā)工程師Oscar Persson
當(dāng)今電子系統(tǒng)正在將更多的功能集成到更小尺寸中，但功能增多使功耗也會增加。因此，為了應(yīng)對這一趨勢，提供系統(tǒng)電壓軌的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須以更小的封裝實現(xiàn)更高的功率，即具有更高的“功率密度”。雖然目前的轉(zhuǎn)換器設(shè)計可以具有非常高效率，但仍必須消散巨大熱量以將關(guān)鍵組件保持在其最高額定溫度以下。由于業(yè)界通常使用“磚”式轉(zhuǎn)換器，在沒有附加散熱器和強(qiáng)制通風(fēng)的情況下，這些部件會隨著本地環(huán)境溫度升高而出現(xiàn)嚴(yán)重降額，并且通常只能在 20 攝氏度左右提供全功率，這在具有 kW 級本地負(fù)載的服務(wù)器機(jī)架等應(yīng)用中外殼內(nèi)部是不切實際的溫度要求。為了在 50℃或更高的典型局部環(huán)境下實現(xiàn)運行，必須使用強(qiáng)制空氣或傳導(dǎo)冷卻，這種情況下，轉(zhuǎn)換器的熱特性、氣流的影響以及其他到周圍環(huán)境的散熱路徑就變得更加重要。
必須對 DC-DC 環(huán)境做出假設(shè)
在考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器上氣流和其他散熱路徑的有效性時，存在許多變量，其中包括：
· 本地環(huán)境溫度
· 氣流速度
· 氣流方向
· 轉(zhuǎn)換器的方向
· 印刷電路板 (PCB) 的尺寸
· PCB 內(nèi)導(dǎo)電層的數(shù)量和厚度
· PCB的布局
· PCB上的其他組件功耗
· 其他組件的氣流“陰影”（Shadowing’of airflow）
· 氣流湍流
由于轉(zhuǎn)換器制造商無法預(yù)測終端系統(tǒng)中這些因素中的大多數(shù)及其影響程度，因此他們只能通過特定的測試設(shè)置（例如 Flex Power Modules 使用的圖 1 所示設(shè)置）對其部件的特性進(jìn)行假設(shè)。這種測試可生成降額曲線，如圖 2 所示。PKU4213D 是一款 12V、15/17A 輸出、隔離式轉(zhuǎn)換器，具有 36～75V 輸入。
圖 1：表征 DC-DC 轉(zhuǎn)換器溫度降額特性的測試設(shè)置。（來源：Flex Power Modules ）
進(jìn)行測試的目的是要使用特定區(qū)域的測試電路板，使其成為可再現(xiàn)的代表性案例，該指定區(qū)域具有指定數(shù)量和厚度的銅層，具體取決于被評估的轉(zhuǎn)換器功率水平。圖中所示的“對向”板對于嘗試更接近地再現(xiàn)真實機(jī)架環(huán)境，以及如何影響靠近電源模塊的氣流方向和湍流都非常重要。為了快速獲得結(jié)果，測量是在本地環(huán)境溫度下進(jìn)行，通常比室內(nèi)溫度高幾度，然后監(jiān)控轉(zhuǎn)換器上指定關(guān)鍵組件的熱區(qū)溫度，以及靠近測試板的特定氣流。在選定氣流速率、標(biāo)稱輸入電壓和負(fù)載電流下，測量熱區(qū)和本地環(huán)境溫度之間的差異以給出溫升，然后將其外推為在溫度超過關(guān)鍵組件要求之前給出的最高本地環(huán)境溫度，從而得到器件降額特性曲線。
圖 2：圖 1 測試設(shè)置生成的降額曲線。（來源：Flex Power Modules部件 PKU4213D，開放式框架布置）
氣流降額的一些未知數(shù)
上述討論的布置和測量允許在不同 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行一些比較。盡管并非所有制造商都使用相同的測試設(shè)置，但對于最終客戶的環(huán)境總是不同的，因此它只能作為從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器獲得評估功率的起始點。在從溫升限值推斷該功率時，需假定在較高環(huán)境下效率保持不變。然而，情況并非如此，由于半導(dǎo)體開關(guān)電壓降變化、導(dǎo)體電阻增加和磁芯損耗增大，所有這些都會降低效率。額外的功率損耗本身也會導(dǎo)致更高溫度，因此其效果是不斷累積增大。MOSFET等組件的導(dǎo)通電阻和傳導(dǎo)損耗會隨著溫度的升高而顯著增加，而二極管則隨著溫度升高而下降較少。這意味著 DC/DC 組件的熱“足跡”或梯度會隨溫度升高呈非線性變化。
在更高的負(fù)載電流下，不僅效率通常會因為元件和銅損而惡化，而且熱阻也會發(fā)生變化。一個重要的散熱路徑是通過 DC/DC 模塊引腳到達(dá)電路板，尤其是開放式框架部件。例如，通過這些引腳電阻的高負(fù)載電流使它們成為熱量發(fā)生器，有效地增大了從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到電路板對熱流的熱阻。當(dāng)然，最終用戶的電路板會需要更高的電流并消耗更多的功率，從而升高局部溫度，以及從 DC/DC 模塊到周圍環(huán)境的熱阻。由于這些原因，每個元件熱阻的特定值只能是近似值。
另一個變數(shù)是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是否安裝了基板。通過強(qiáng)制風(fēng)冷，一般可選擇使用“開放式框架”部件，或配備基板的部件。雖然可能沒有傳導(dǎo)冷卻，但基板具有散熱作用，并能夠提供一個平坦的表面來散熱，因此它的效果是有益于散熱。例如，F(xiàn)lex Power Modules 的數(shù)據(jù)表明，在高負(fù)載和高氣流速度下，安裝基板與未安裝基板相比，PKU4213D 產(chǎn)品熱區(qū)最多可降低 15℃ 左右（圖 3）。
圖 3：帶有基板的磚式轉(zhuǎn)換器顯示熱區(qū)溫度顯著降低。（來源：Flex Power Modules，部件 PKU4213D）
盡管如此，DC/DC 模塊數(shù)據(jù)表仍可包含熱阻數(shù)據(jù)和功耗曲線，可用于估計溫升并作為系統(tǒng)級熱模型的考慮因素。Flex Power Modules最新推出產(chǎn)品的可編輯熱模型也可提供使用，并與西門子（Siemens） 的 Simcenter FlothermTM 軟件兼容。此外，免費使用的“Flex Power Designer”軟件還可以提供所選模塊在不同輸入/輸出電壓、輸出電流和溫度條件下的功耗數(shù)據(jù)。
消除未知數(shù)的另一種方法
Flex Power Modules 正在推廣另一種確定 DC/DC 可用功率的替代方法，它是通過提供與模塊本身限制更密切相關(guān)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，如果指定了引腳和基板最高溫度，則 通過Flex Power Modules收集的 DC/DC 內(nèi)部熱阻和物理測量數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地了解最大可用功率，這樣能夠?qū)τ脩?PCB 結(jié)構(gòu)及其熱阻和氣流特性更加確定。高溫下的損耗變化會自動包含在內(nèi)，因為指示的最大可用功率是通過增大負(fù)載使關(guān)鍵組件熱區(qū)溫度達(dá)到最大值來計算。展示數(shù)據(jù)的最好方式是以三軸圖呈現(xiàn)，如圖 4 所示，其中所用為Flex Power Modules的BMR491。最終用戶可以簡單地測量應(yīng)用中引腳和基板溫度，并查看可用的功率多大。這與僅根據(jù)降額曲線提供氣流形成鮮明對比，降額曲線可能過于保守，或者冗余不足以將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的結(jié)溫保持在安全范圍內(nèi)。在最壞情況下，即使溫度不會高到足以觸發(fā)電路保護(hù)，但仍會超過推薦值，從而導(dǎo)致可靠性降低和使用壽命縮短。
圖 4：DC/DC 模塊的引腳和基板溫度與可用負(fù)載的 3 軸關(guān)系曲線比簡單的氣流降額數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。（來源：Flex Power Modules，BMR491部件）
多種方法組合可提供最佳結(jié)果
為磚式 DC/DC 模塊提供充分冷卻的綜合解決方案可能會從氣流降額曲線和散熱模擬的近似開始，但這可以通過最終應(yīng)用中的引腳和基板溫度測量來補(bǔ)充。結(jié)合 Flex Power Modules提供的 3 軸曲線，可以精準(zhǔn)確定可用功率，以確保DC/DC 應(yīng)用中實現(xiàn)最佳性能，同時保證最高可靠性。 |
