作者：Flex Power Modules專(zhuān)業(yè)研發(fā)工程師Oscar Persson
當今電子系統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(huì )增加。因此，為了應對這一趨勢，提供系統電壓軌的 DC/DC 轉換器必須以更小的封裝實(shí)現更高的功率，即具有更高的“功率密度”。雖然目前的轉換器設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”式轉換器，在沒(méi)有附加散熱器和強制通風(fēng)的情況下，這些部件會(huì )隨著(zhù)本地環(huán)境溫度升高而出現嚴重降額，并且通常只能在 20 攝氏度左右提供全功率，這在具有 kW 級本地負載的服務(wù)器機架等應用中外殼內部是不切實(shí)際的溫度要求。為了在 50℃或更高的典型局部環(huán)境下實(shí)現運行，必須使用強制空氣或傳導冷卻，這種情況下，轉換器的熱特性、氣流的影響以及其他到周?chē)h(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
在考慮 DC/DC 轉換器上氣流和其他散熱路徑的有效性時(shí)，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
· 轉換器的方向
· 印刷電路板 (PCB) 的尺寸
· PCB 內導電層的數量和厚度
· 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
由于轉換器制造商無(wú)法預測終端系統中這些因素中的大多數及其影響程度，因此他們只能通過(guò)特定的測試設置（例如 Flex Power Modules 使用的圖 1 所示設置）對其部件的特性進(jìn)行假設。這種測試可生成降額曲線(xiàn)，如圖 2 所示。PKU4213D 是一款 12V、15/17A 輸出、隔離式轉換器，具有 36～75V 輸入。
圖 1：表征 DC-DC 轉換器溫度降額特性的測試設置。（來(lái)源：Flex Power Modules ）
進(jìn)行測試的目的是要使用特定區域的測試電路板，使其成為可再現的代表性案例，該指定區域具有指定數量和厚度的銅層，具體取決于被評估的轉換器功率水平。圖中所示的“對向”板對于嘗試更接近地再現真實(shí)機架環(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。為了快速獲得結果，測量是在本地環(huán)境溫度下進(jìn)行，通常比室內溫度高幾度，然后監控轉換器上指定關(guān)鍵組件的熱區溫度，以及靠近測試板的特定氣流。在選定氣流速率、標稱(chēng)輸入電壓和負載電流下，測量熱區和本地環(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(guò)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(xiàn)。
圖 2：圖 1 測試設置生成的降額曲線(xiàn)。（來(lái)源：Flex Power Modules部件 PKU4213D，開(kāi)放式框架布置）
氣流降額的一些未知數
上述討論的布置和測量允許在不同 DC/DC 轉換器之間進(jìn)行一些比較。盡管并非所有制造商都使用相同的測試設置，但對于最終客戶(hù)的環(huán)境總是不同的，因此它只能作為從 DC/DC 轉換器獲得評估功率的起始點(diǎn)。在從溫升限值推斷該功率時(shí)，需假定在較高環(huán)境下效率保持不變。然而，情況并非如此，由于半導體開(kāi)關(guān)電壓降變化、導體電阻增加和磁芯損耗增大，所有這些都會(huì )降低效率。額外的功率損耗本身也會(huì )導致更高溫度，因此其效果是不斷累積增大。MOSFET等組件的導通電阻和傳導損耗會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而顯著(zhù)增加，而二極管則隨著(zhù)溫度升高而下降較少。這意味著(zhù) DC/DC 組件的熱“足跡”或梯度會(huì )隨溫度升高呈非線(xiàn)性變化。
在更高的負載電流下，不僅效率通常會(huì )因為元件和銅損而惡化，而且熱阻也會(huì )發(fā)生變化。一個(gè)重要的散熱路徑是通過(guò) DC/DC 模塊引腳到達電路板，尤其是開(kāi)放式框架部件。例如，通過(guò)這些引腳電阻的高負載電流使它們成為熱量發(fā)生器，有效地增大了從 DC/DC 轉換器到電路板對熱流的熱阻。當然，最終用戶(hù)的電路板會(huì )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?chē)h(huán)境的熱阻。由于這些原因，每個(gè)元件熱阻的特定值只能是近似值。
另一個(gè)變數是 DC/DC 轉換器是否安裝了基板。通過(guò)強制風(fēng)冷，一般可選擇使用“開(kāi)放式框架”部件，或配備基板的部件。雖然可能沒(méi)有傳導冷卻，但基板具有散熱作用，并能夠提供一個(gè)平坦的表面來(lái)散熱，因此它的效果是有益于散熱。例如，Flex Power Modules 的數據表明，在高負載和高氣流速度下，安裝基板與未安裝基板相比，PKU4213D 產(chǎn)品熱區最多可降低 15℃ 左右（圖 3）。
圖 3：帶有基板的磚式轉換器顯示熱區溫度顯著(zhù)降低。（來(lái)源：Flex Power Modules，部件 PKU4213D）
盡管如此，DC/DC 模塊數據表仍可包含熱阻數據和功耗曲線(xiàn)，可用于估計溫升并作為系統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(mén)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據。
消除未知數的另一種方法
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(guò)提供與模塊本身限制更密切相關(guān)的數據實(shí)現。在實(shí)際應用中，如果指定了引腳和基板最高溫度，則 通過(guò)Flex Power Modules收集的 DC/DC 內部熱阻和物理測量數據可以更準確地了解最大可用功率，這樣能夠對用戶(hù) PCB 結構及其熱阻和氣流特性更加確定。高溫下的損耗變化會(huì )自動(dòng)包含在內，因為指示的最大可用功率是通過(guò)增大負載使關(guān)鍵組件熱區溫度達到最大值來(lái)計算。展示數據的最好方式是以三軸圖呈現，如圖 4 所示，其中所用為Flex Power Modules的BMR491。最終用戶(hù)可以簡(jiǎn)單地測量應用中引腳和基板溫度，并查看可用的功率多大。這與僅根據降額曲線(xiàn)提供氣流形成鮮明對比，降額曲線(xiàn)可能過(guò)于保守，或者冗余不足以將 DC/DC 轉換器中的結溫保持在安全范圍內。在最壞情況下，即使溫度不會(huì )高到足以觸發(fā)電路保護，但仍會(huì )超過(guò)推薦值，從而導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載的 3 軸關(guān)系曲線(xiàn)比簡(jiǎn)單的氣流降額數據更準確。（來(lái)源：Flex Power Modules，BMR491部件）
多種方法組合可提供最佳結果
為磚式 DC/DC 模塊提供充分冷卻的綜合解決方案可能會(huì )從氣流降額曲線(xiàn)和散熱模擬的近似開(kāi)始，但這可以通過(guò)最終應用中的引腳和基板溫度測量來(lái)補充。結合 Flex Power Modules提供的 3 軸曲線(xiàn)，可以精準確定可用功率，以確保DC/DC 應用中實(shí)現最佳性能，同時(shí)保證最高可靠性。 |
