DC/DC轉換器的發(fā)熱問(wèn)題分析

DC/DC 電源模塊產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)上特別標注的項目，通常會(huì )突出產(chǎn)品在系統中實(shí)際上不具備的電氣性能，這就向系統設計人員提出了挑戰，他們必須對不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的模塊進(jìn)行電氣/散熱性能比較。因為系統設計人員必須確保為其終端設備選用的 DC/DC 電源模塊能夠在整個(gè)溫度應用范圍內提供所需的電氣/散熱性能。另外，測算實(shí)際系統環(huán)境中模塊所能輸出的最小和最大負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設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(xiàn)來(lái)表示，這種曲線(xiàn)是判定模塊整體性能的最佳、最常用的手段。電源模塊廠(chǎng)商進(jìn)行了大量的散熱測試以生成不同的熱降額曲線(xiàn)，并在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中列出。圖 1 顯示了熱降額曲線(xiàn)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，就設定了設備的安全工作區 (SOA)——在未超過(guò)推薦散熱設計限額的情況下實(shí)現最大電氣輸出的工作條件。

圖1. 熱降額曲線(xiàn)。

熱降額曲線(xiàn)上的每一個(gè)點(diǎn)均代表相應輸出電流和環(huán)境條件的交叉點(diǎn)(促使模塊中某種組件的溫度達到預先設定的限額)。在上述示例中，實(shí)際應用中將會(huì )需要 30A 的負載電流;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(shuō)明書(shū)后，從 SOA 曲線(xiàn)(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、可靠的輸出 23A 的電流。

根據熱降額曲線(xiàn)，系統設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、是否需要補充額外的氣流以及在罩殼中的濾波器出現阻塞、冷卻風(fēng)扇故障的情況下可用的預留容量。而且，根據散熱數據，系統設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)、增加冷卻空氣供應量，或在某些情況下，加裝散熱片。

在實(shí)際應用中，許多 DC/DC 電源模塊并不能達到其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)首頁(yè)上列出的輸出電流額定值。其中一個(gè)原因是電源模塊廠(chǎng)商提供的器件說(shuō)明書(shū)本身的問(wèn)題，另一個(gè)原因是電源模塊行業(yè)對獨立和非獨立 DC/DC 電源模塊沒(méi)有標準的熱降額評定方法。

競爭環(huán)境

系統設計人員面臨著(zhù)從多家供應商中選擇模塊的問(wèn)題。因此，DC/DC 電源模塊業(yè)務(wù)的競爭相當激烈，其中一個(gè)方面就表現在器件說(shuō)明書(shū)方面——這已促使電源廠(chǎng)商以日趨創(chuàng )新的方式來(lái)描述其產(chǎn)品性能，以吸引潛在客戶(hù)的眼球。

然而，令人遺憾的是，當解析廠(chǎng)商的熱降額數據時(shí)，進(jìn)行實(shí)際的比較就并非如此簡(jiǎn)單了。首先，系統設計人員應考慮到降額測試細節的不同之處，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、以及測試設備都會(huì )對降額曲線(xiàn)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(chǎng)商發(fā)布的降額曲線(xiàn)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(méi)有行業(yè)標準，兩種傳統的方法均采用在風(fēng)道內進(jìn)行空氣流速測量。這種設置模擬在當今大多數具備分布式電源架構的電子系統中的典型散熱環(huán)境。而且，在網(wǎng)絡(luò )、電信、無(wú)線(xiàn)和先進(jìn)的計算機系統中使用的電子設備都在相似的環(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 受限測試設置方案：將電源模塊安裝在測試電路板上，并在風(fēng)道內處于垂直方向。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)道設置采用探測器來(lái)測量單點(diǎn)的氣流和環(huán)境溫度。

圖2. SOA 受限測試設置方案。