選用不同DC/DC 電源模塊的電氣/散熱性能問題探討

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。他們必須對不同廠商生產(chǎn)的模塊進(jìn)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(fù)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(jìn)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(dá)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(fù)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(bǔ)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(dá)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)的計算機(jī)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。

一般而言，在電源模塊處于額定輸入電壓時，對其進(jìn)行測試。當(dāng)負(fù)載電流在沒有負(fù)載至最大負(fù)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

在風(fēng)道中，有時采用煙氣對氣流進(jìn)行定性說明。如圖 3 所示，受限測試設(shè)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(rèn)為，此種方法能模擬相應(yīng)的卡架環(huán)境。

圖3. 氣流穿過 SOA 受限測試設(shè)置時的情形[1]。SOA 未受限測試設(shè)置的情形如圖 4 所示，此時，電源模塊焊接于風(fēng)道內(nèi)的測試電路板上。這種設(shè)置沒有面對印刷電路板的平行面。

圖4. SOA 未受限測試設(shè)置方案。

SOA 未受限測試設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置時的情形[2]。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。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。

熱電偶之所以會影響小質(zhì)量組件的測量工作，是因為其金屬構(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點。另外，由于電源模塊上將熱電偶與各點相連的導(dǎo)線會妨礙穿過組件的氣流，所以導(dǎo)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(shù)來協(xié)助設(shè)計和突出其產(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，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。例如，一家廠商會將結(jié)溫設(shè)置在接近于組件最大絕對額定溫度的條件下，運行 FET，而另一家廠商則會將結(jié)溫限制在一個較低、更為保守的數(shù)值范圍內(nèi)。這些相反的設(shè)計條件會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(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)計人員相信，他們自己就可以實現(xiàn)該模塊在更高的溫度下在其系統(tǒng)中可靠的運行。然而，設(shè)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(shè)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(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影響測試結(jié)果。首