DC/DC转换器的发热问题缘由

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DC/DC 电源模块产品说明书首页上特别标注的项目,通常会突出产品在系统中实际上不具备的电气性能,这就向系统设计人员提出了挑战,他们必须对不同厂商生产的模块进行电气/散热性能比较。因为系统设计人员必须确保为其终端设备选用的 DC/DC 电源模块能够在整个温度应用范围内提供所需的电气/散热性能。另外,测算实际系统环境中模块所能输出的最小和最大负载电流将成为确定电源成本和可靠性的最重要因素,因为这将有助于系统设计人员以最低的成本获得所需输出电流的模块。

  电源模块的电气/散热性能由其热降额曲线来表示,这种曲线是判定模块整体性能的最佳、最常用的手段。电源模块厂商进行了大量的散热测试以生成不同的热降额曲线,并在产品说明书中列出。图 1 显示了热降额曲线在各种不同的气流速度和环境温度下,模块所能输出的最大电流。这样,就设定了设备的安全工作区 (SOA)——在未超过推荐散热设计限额的情况下实现最大电气输出的工作条件。

  


 

  图1. 热降额曲线。

  热降额曲线上的每一个点均代表相应输出电流和环境条件的交叉点(促使模块中某种组件的温度达到预先设定的限额)。在上述示例中,实际应用中将会需要 30A 的负载电流;环境条件包括 50°C 的环境温度和低至 1.0 米/秒 (200 lfm)的气流速度。在查阅模块的产品说明书后,从 SOA 曲线(图 1)我们可以看出,在上述条件下,最大输出额定电流为 30A 的模块只能持续、可靠的输出 23A 的电流。

  根据热降额曲线,系统设计人员可以判定所选用的模块是否能在所需的环境温度下输出需要的电流、是否需要补充额外的气流以及在罩壳中的滤波器出现阻塞、冷却风扇故障的情况下可用的预留容量。而且,根据散热数据,系统设计人员还可以判定是否必须减载运行(使模块在低于其最大输出功率的情况下运行)、增加冷却空气供应量,或在某些情况下,加装散热片。

  在实际应用中,许多 DC/DC 电源模块并不能达到其产品说明书首页上列出的输出电流额定值。其中一个原因是电源模块厂商提供的器件说明书本身的问题,另一个原因是电源模块行业对独立和非独立 DC/DC 电源模块没有标准的热降额评定方法。

  竞争环境

  系统设计人员面临着从多家供应商中选择模块的问题。因此,DC/DC 电源模块业务的竞争相当激烈,其中一个方面就表现在器件说明书方面——这已促使电源厂商以日趋创新的方式来描述其产品性能,以吸引潜在客户的眼球。

  然而,令人遗憾的是,当解析厂商的热降额数据时,进行实际的比较就并非如此简单了。首先,系统设计人员应考虑到降额测试细节的不同之处,比如气流和环境温度测量方法和位置、组件允许的最高温度、电路板间距、以及测试设备都会对降额曲线产生重大的影响。由于存在这些不同,所以在未了解不同厂商发布的降额曲线的测量方法之前,就不能轻易对其进行比较。

  热降额测量

  目前,散热性能测量还没有行业标准,两种传统的方法均采用在风道内进行空气流速测量。这种设置模拟在当今大多数具备分布式电源架构的电子系统中的典型散热环境。而且,在网络、电信、无线和先进的计算机系统中使用的电子设备都在相似的环境中运行,并采用垂直安装的印刷电路板或柜架中的电路卡。

  图 2 显示了一种典型的 SOA 受限测试设置方案:将电源模块安装在测试电路板上,并在风道内处于垂直方向。邻近的电路板用于模拟卡架 (card rack) 环境,该电路板迫使空气流向电源模块的上方。而且,两板块的间距通常为模块高度的两倍。另外,这种风道设置采用探测器来测量单点的气流和环境温度。

  

 

  图2. SOA 受限测试设置方案。

一般而言,在电源模块处于额定输入电压时,对其进行测试。当负载电流在没有负载至最大负载之间变化时,热电偶或热成像摄像头用于测量主要组件的温度,并在若干典型气流值(通常从 0 至 2.5 米/秒)时,进行数据采集。

  在风道中,有时采用烟气对气流进行定性说明。如图 3 所示,受限测试设置模式减少了电源模块中丝状烟气的间距,这表明了与在模块前端测量得出的气流比较而言,整个模块中的气流速度已有所提高。而且,面对印刷电路板平行面的气流速度可从 1 米/秒提高至 2 米/秒。另外,采用这种方法的厂商认为,此种方法能模拟相应的卡架环境。

  

 

  图3. 气流穿过 SOA 受限测试设置时的情形[1]。

  SOA 未受限测试设置的情形如图 4 所示,此时,电源模块焊接于风道内的测试电路板上。这种设置没有面对印刷电路板的平行面。

  

 

  图4. SOA 未受限测试设置方案。

  SOA 未受限测试设置方案允许空气在模块上方流动而无需限制气流速度,而且这并没有像在受限测试设置方案中那样减少流通截面积(提高气流速度)。如图 5 所示,模块前端和模块表面的丝状烟气间距保持相对不变,这表明了穿过模块的气流速度与在模块前端测量得出的气流速度相同。另外,在受限测试设置方案中,穿过模块的气流速度更高,从而生成变化更为陡峭 (aggressive) 的 SOA 曲线(在给定的气流速度时,模块将会输出更大的电流)。

  

 

  图5. 气流穿过 SOA 未受限测试设置时的情形[2]。

温度测量方法

  温度测量对 SOA 曲线的准确性至关重要。为此,部分厂商建议,在印刷电路板上的某一点对温度进行测量。然而,通常情况下,这并非是电路中温度最高的一点。所以,出于对测量准确性方面的考虑,应直接对温度最高的组件进行测量(通常为 FET、控制 IC 以及磁性组件),而且必须在组件的外壳或接头[3]对 FET(场效应晶体管)的温度进行监控。另外,大多数厂商采用自动测量方法来确定散热性能,这种测量方法通过在各种电源组件上设置热电偶来完成,这些电源组件包括 FET、磁性组件以及在程序控制的作用下能够监控多种组件的热摄像头。

  热电偶之所以会影响小质量组件的测量工作,是因为其金属构造的影响——热电偶将传导与其接触组件上的热量,这样,致使更难以获取测量组件真正的散热状况。

  而且,热电偶采用单点温度测量法。再者,由于热模式不易预测,因此并非总能清楚测量所需热电偶的安装位置。鉴于此,电源厂商将热电偶安装于多个点。另外,由于电源模块上将热电偶与各点相连的导线会妨碍穿过组件的气流,所以导致组件在更高的温度下运行。

  目前,许多厂商采用热(红外线)成像技术来协助设计和突出其产品特征。热成像摄像头为主要组件的温度测量提供了除热电偶之外的另一种选择。而且,热成像技术采用多点的方式来测量散热性能,这种测量技术既适用于受限测试设置方案,同时也适用于未受限测试设置方案。如图 4 所示,电源模块的热成像是通过风道一侧的窗口来拍摄完成。

  热成像技术常用于电源组件可见的情况下,所以其能够测量各组件的表面温度。而且,所得成像可将模块的整体散热状况清楚的呈现出来,同时还能确定组件布局方面存在的问题以及应力过大的组件。再者,通过热成像,电源厂商还可评估冷却效果以及来自相邻散热片和组件的“影响”。

  组件允许的最高温度

  通过测量组件的表面温度,即可直接估算出组件内部的核心温度。同时,需要了解的还有半导体的结温以及磁性部件的绕组温度。另外,通过改变这些组件上设置的温度限额,即可改变模块的降额曲线,以及模块在特定环境温度时的额定输出大小和气流。

  部分厂商通过将组件内部温度限额调至正常值以上而将其模块的额定值提高——这将有助于提高散热等级。例如,一家厂商会将结温设置在接近于组件最大绝对额定温度的条件下,运行 FET,而另一家厂商则会将结温限制在一个较低、更为保守的数值范围内。这些相反的设计条件会对电源模块的整体性能和可靠性产生重大影响。例如,如果 FET 的运行温度从 115°C 提高至 125°C,同时其他所有的运行条件保持不变,那么模块的可靠性 MTBF 等级将从 929,368 小时 (1076 FIT)变为 822,368 小时(1216 FIT)[4]。

  厂商通过采用这些更高的额定值,从而在产品说明书上宣扬其产品优越的散热性能。而厂商所宣称的这些性能以及产品说明书内页上的 SOA 曲线图使设计人员相信,他们自己就可以实现该模块在更高的温度下在其系统中可靠的运行。然而,设计人员却没有意识到,如果在这些运行条件下,持续使用该电源模块,那么模块的使用寿命将会缩短。

  哪一种 SOA 测试设置方案更为可取?

  测量散热性能的方法之所以无对错之分,是因为每一种方法都有其独特的优势。例如,从受限测试设置方案中获取的 SOA 曲线只能适用于与此测试设置相类似的环境中,而从未受限测试设置方案中获取的 SOA 曲线的适用范围更广。另外,由于在许多实际应用过程中并未采用设置气流限制的并行电路板,所以未受限测试设置方案为最保守的方法。

  除了 SOA 测试设置之外,还有许多其他因素会影响测试结果。首先,气流是通过风速计测量得出的,还是通过容积计算得出的?但是,用于在模块前端直接测量气流的热线风速计能确保气流测算的准确性最高。其次,气流形式是扰动的,还是分层的?而分层气流属于更为保守的方法。

  目前,部分 DC/DC 电源模块既有水平封装形式,也有垂直封装形式。其中一些安装方位能实现较好的散热性能,这些性能通常会在模块产品说明书中予以标明。但是,设计人员必须了解其他安装方位的散热性能,并了解降额曲线是基于最佳方位还是最差方位测算得出的。

  散热测试结果评价

  虽然大多数散热性能通过采用散热成像摄像头中的数据计算得出,但是实际的测试设置和测量方法会对测量结果产生重大影响。图 6 和图 7 显示了隔离式四分之一砖型电源模块的一组热降额曲线,该模块在电流为 30A 时的额定输出电压为 3.3V。未受限散热测量方法用于生成如图 6 所示的热降额曲线,而受限散热测量方法用于生成如图 7 所示的热降额曲线。在两种测试设置方案中,最高组件温度、安装方位以及气流方向都相同。[5]

  

 

  图6. 源自未受限测量方法的热降额曲线。

  

 

  图7. 源自受限测量方法的热降额曲线。

  当温度为 70°C、气流速度为 1.0米/秒(200lfm)时,未受限设置方案中的降额曲线表明,模块应在最大电流为 18A 的条件下运行(如图 6 所示);而在气流受限设置的情况下测量同一模块时,降额曲线表明,模块可在最大电流达 23A 的条件下运行(如图 7 所示)。因此,如果系统设计人员的产品配置与受限设置不一致,将导致重大的风险——模块的内部组件将在比厂商推荐标准高得多的温度下运行,从而可能在以后引发可靠性方面的问题。

总结

  系统设计人员常常发现产品说明书首页上的输出电流额定值与热降额曲线图所示的实际输出电流不一致,这种状况导致产品比较工作相当困难。而且,产品说明书首页上特别标注的项目也未提及测量降额曲线的测试条件。这就是为什么在进行散热性能的比较前,设计人员必须查看产品说明书的内页。在许多情况下,电源模块实际能输出的电流通常低于厂商在产品说明书首页中载明的数值。这种情况主要是由于测试设置和运行条件的差异造成的。

  首先,为了弄清楚模块的散热性能,系统设计人员必须明确是采用热成像摄像头,还是热电偶来进行温度测量。其次,系统设计人员还必须弄清楚是在印刷电路板的单点测量温度,还是出于对更高准确性的考虑,直接在诸如 FET、控制 IC 以及磁性部件等多组件处测量温度。再者,就是弄清楚散热测试设置模式。部分厂商采用未受限设置方案;而其他一些厂商采用受限设置方案——从而生成变化更为陡峭的 SOA 曲线。最后,系统设计人员必须弄明白当评价散热性能时,厂商是否允许内部组件的温度接近或达到最大温度限额。

  为了消除 DC/DC 电源模块选择过程中的干扰因素,系统设计人员必须谨慎对待富于创意性的市场营销宣传。换言之,系统设计人员必须对散热数据和降额曲线进行仔细、严格的核查,或最好在实际应用过程中,通过评价模块的散热性能,来比较不同模块的性能。