DC/DC轉換器的發(fā)熱問題分析

一般而言，在電源模塊處于額定輸入電壓時，對其進行測試。當負載電流在沒有負載至最大負載之間變化時，熱電偶或熱成像攝像頭用于測量主要組件的溫度，并在若干典型氣流值(通常從 0 至 2.5 米/秒)時，進行數據采集。

在風道中，有時采用煙氣對氣流進行定性說明。如圖 3 所示，受限測試設置模式減少了電源模塊中絲狀煙氣的間距，這表明了與在模塊前端測量得出的氣流比較而言，整個模塊中的氣流速度已有所提高。而且，面對印刷電路板平行面的氣流速度可從 1 米/秒提高至 2 米/秒。另外，采用這種方法的廠商認為，此種方法能模擬相應的卡架環(huán)境。

圖3. 氣流穿過 SOA 受限測試設置時的情形[1]。

SOA 未受限測試設置的情形如圖 4 所示，此時，電源模塊焊接于風道內的測試電路板上。這種設置沒有面對印刷電路板的平行面。

圖4. SOA 未受限測試設置方案。

SOA 未受限測試設置方案允許空氣在模塊上方流動而無需限制氣流速度，而且這并沒有像在受限測試設置方案中那樣減少流通截面積(提高氣流速度)。如圖 5 所示，模塊前端和模塊表面的絲狀煙氣間距保持相對不變，這表明了穿過模塊的氣流速度與在模塊前端測量得出的氣流速度相同。另外，在受限測試設置方案中，穿過模塊的氣流速度更高，從而生成變化更為陡峭 (aggressive) 的 SOA 曲線(在給定的氣流速度時，模塊將會輸出更大的電流)。

圖5. 氣流穿過 SOA 未受限測試設置時的情形[2]。

溫度測量方法

溫度測量對 SOA 曲線的準確性至關重要。為此，部分廠商建議，在印刷電路板上的某一點對溫度進行測量。然而，通常情況下，這并非是電路中溫度最高的一點。所以，出于對測量準確性方面的考慮，應直接對溫度最高的組件進行測量(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(場效應晶體管)的溫度進行監(jiān)控。另外，大多數廠商采用自動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。

熱電偶之所以會影響小質量組件的測量工作，是因為其金屬構造的影響——熱電偶將傳導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，熱電偶采用單點溫度測量法。再者，由于熱模式不易預測，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點。另外，由于電源模塊上將熱電偶與各點相連的導線會妨礙穿過組件的氣流，所以導致組件在更高的溫度下運行。

目前，許多廠商采用熱(紅外線)成像技術來協助設計和突出其產品特征。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，熱成像技術采用多點的方式來測量散熱性能，這種測量技術既適用于受限測試設置方案，同時也適用于未受限測試設置方案。如圖 4 所示，電源模塊的熱成像是通過風道一側的窗口來拍攝完成。

熱成像技術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出來，同時還能確定組件布局方面存在的問題以及應力過大的組件。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部的核心溫度。同時，需要了解的還有半導體的結溫以及磁性部件的繞組溫度。另外，通過改變這些組件上設置的溫度限額，即可改變模塊的降額曲線，以及模塊在特定環(huán)境溫度時的額定輸出大小和氣流。

部分廠商通過將組件內部溫度限額調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。例如，一家廠商會將結溫設置在接近于組件最大絕對額定溫度的條件下，運行 FET，而另一家廠商則會將結溫限制在一個較低、更為保守的數值范圍內。這些相反的設計條件會對電源模塊的整體性能和可靠性產生重大影響。例如，如果 FET 的運行溫度從 115°C 提高至 125°C，同時其他所有的運行條件保持不變，那么模塊的可靠性 MTBF 等級將從 929,368 小時 (1076 FIT)變?yōu)?822,368 小時(1216 FIT)[4]。

廠商通過采用這些更高的額定值，從而在產品說明書上宣揚其產品優(yōu)越的散熱性能。而廠商所宣稱的這些性能以及產品說明書內頁上的 SOA 曲線圖使設計人員相信，他們自己就可以實現該模塊在更高的溫度下在其系統中可靠的運行。然而，設計人員卻沒有意識到，如果在這些運行條件下，持續(xù)使用該電源模塊，那么模塊的使用壽命將會縮短。

哪一種 SOA 測試設置方案更為可取?

測量散熱性能的方法之所以無對錯之分，是因為每一種方法都有其獨特的優(yōu)勢。例如，從受限測試設置方案中獲取的 SOA 曲線只能適用于與此測試設置相類似的環(huán)境中，而從未受限測試設置方案中獲取的 SOA 曲線的適用范圍更廣。另外，由于在許多實際應用過程中并未采用設置氣流限制的并行電路板，所以未受限測試設置方案為最保守的方法。

除了 SOA 測試設置之外，還有許多其他因素會影響測試結果。首先，氣流是通過風速計測量得出的，還是通過容積計算得出的?但是，用于在模塊前端直接測量氣流的熱線風速計能確保氣流測算的準確性最高。其次，氣流形式是擾動的，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現較好的散熱性能，這些性能通常會在模塊產品說明書中予以標明。但是，設計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。

散熱測試結果評價

雖然大多數散熱性能通過采用散熱成像攝像頭中的數據計算得出，但是實際的測試設置和測量方法會對測量結果產生重大影響。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。

當溫度為 70°C、氣流速度為 1.0米/秒(200lfm)時，未受限設置方案中的降額曲線表明，模塊應在最大電流為 18A 的條件下運行(如圖 6 所示);而在氣流受限設置的情況下測量同一模塊時，降額曲線表明，模塊可在最大電流達 23A 的條件下運行(如圖 7 所示)。因此，如果系統設計人員的產品配置與受限設置不一致，將導致重大的風險——模塊的內部組件將在比廠商推薦標準高得多的溫度下運行，從而可能在以后引發(fā)可靠性方面的問題。