將底板冷卻轉(zhuǎn)換器模塊納入您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

XP Power技術(shù)總監(jiān)Gary Bocock

在設(shè)計(jì)戶外使用的堅(jiān)固耐用設(shè)備時(shí)，使其可靠的最佳方法是將其與任何外部環(huán)境條件完全密封。然而，雖然這是一個(gè)謹(jǐn)慎的步驟，但采用這種方法確實(shí)會帶來一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其中之一就是如何提供電源能力，尤其是在需要相對較高功率水平的情況下。大多數(shù)大功率電源使用強(qiáng)制風(fēng)冷來消散產(chǎn)生的熱量，這種方法在完全密封的產(chǎn)品中是不實(shí)用的。因此，使用底板冷卻的電源轉(zhuǎn)換器模塊--也被稱為 “磚塊”，它們安裝在冷墻或產(chǎn)品外殼上，并使用傳導(dǎo)冷卻，已經(jīng)變得非常流行。

作為組件級電源模塊，而不是一個(gè)即插即用的解決方案，磚塊為戶外設(shè)備和系統(tǒng)制造商提供了一種低風(fēng)險(xiǎn)的開發(fā)方法，通過使用一系列經(jīng)過驗(yàn)證的、可靠的和現(xiàn)成的電源模塊，加快了產(chǎn)品的上市時(shí)間，這些模塊可用于為終端應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)定制的電源解決方案?！?/p>

產(chǎn)品可用于AC和DC輸入應(yīng)用。AC輸入產(chǎn)品可以是完整的AC-DC解決方案，也可以是用于驅(qū)動(dòng)高輸入電壓DC-DC磚塊的PFC模塊。除少數(shù)例外，AC輸入產(chǎn)品需要增加外部高壓電解電容器。DC輸入產(chǎn)品覆蓋了廣泛的額定電池電壓、車輛電源和更高電壓應(yīng)用，至450VDC左右，以滿足PFC模塊或整流電源電壓、高壓電池解決方案和可再生能源應(yīng)用的需要。

已經(jīng)發(fā)展出一套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，稱為四分之一磚、半磚和全磚，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的2:1輸入全磚封裝中可以找到高達(dá)700W的額定功率。實(shí)現(xiàn)更寬的4:1、8:1甚至12:1的輸入范圍，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，覆蓋廣泛的潛在額定輸入電壓范圍，降低了磚塊的功率密度。

底板冷卻轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)需要一些額外的設(shè)計(jì)考慮，特別是溫度管理和電磁兼容性（EMC）。

溫度管理

磚塊內(nèi)的所有功率耗散元件都與底板熱粘合，包括功率晶體管、整流器、變壓器和電感。模塊底板的溫度管理至關(guān)重要，它的溫度需要維持在終端應(yīng)用所要求的最壞情況下的最大工作極限以下。冷卻方案的熱阻特性必須與負(fù)載或終端設(shè)備所需的功率和模塊的效率相匹配，后者決定了磚式轉(zhuǎn)換器的耗散功率，以及設(shè)備預(yù)期工作的最高溫度。

模塊在最壞情況下負(fù)載條件下的運(yùn)行效率規(guī)格決定了耗散的功率。這需要對模塊在所有可能的輸入電壓范圍和實(shí)際負(fù)載條件下的效率進(jìn)行仔細(xì)分析，而不是單純地根據(jù)模塊的標(biāo)稱效率來計(jì)算。見圖1。該圖說明了模塊的效率如何隨輸入電壓和負(fù)載變化。

圖1：效率隨輸入電壓和負(fù)載變化的例子

確定耗散功率的計(jì)算方法如下圖2所示。

圖2：計(jì)算作為熱量散失的廢功率

在確定了廢熱/功率之后，下面的簡單模塊確定了運(yùn)行所需的熱阻，ΔT定義為設(shè)備的最高工作溫度與電源磚塊的最高底板溫度之差。當(dāng)使用導(dǎo)熱墊或?qū)嵊蜁r(shí)，從機(jī)箱到散熱片的熱阻通常為0.1？6？2C/W。

圖3：電源磚塊和散熱片熱模塊

在對流冷卻的應(yīng)用中，散熱片的物理尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用強(qiáng)制風(fēng)冷或液體冷卻的類似解決方案。如果一個(gè)以上的底板冷卻模塊安裝在一個(gè)共同的散熱片、冷墻或外部外殼上，則所需的總體熱阻由所有磚塊在最壞情況下的耗散功率之和決定。

電磁兼容性

底板冷卻轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵方面是電磁兼容性，包括防止尖峰和浪涌，以及控制電氣噪聲排放。最終應(yīng)用的敏感性要求決定了浪涌和尖峰抑制的程度和復(fù)雜性，從簡單的無源元件到瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）、氣體放電管（GDT），甚至是某些車輛和鐵路應(yīng)用中所要求的主動(dòng)夾鉗設(shè)計(jì)。特定應(yīng)用的EMC模塊可用于國防和鐵路應(yīng)用，為這些要求嚴(yán)格的應(yīng)用提供低風(fēng)險(xiǎn)的成熟解決方案。基于電源模塊的電源解決方案還需要適當(dāng)?shù)?a target="_blank">熔斷器或斷路器保護(hù)，以確保安全，通常還需要一些局部電容以降低源阻抗。

電源模塊數(shù)據(jù)表和應(yīng)用說明規(guī)定了所需元件的值。然而，這要由電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來執(zhí)行，遵循良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，以滿足任何爬電和間隙要求，并最大限度地減少寄生電感，以符合EMC要求。

圖4：DC輸入系統(tǒng)示意圖

參照圖4，保險(xiǎn)絲FS1提供短路輸入故障保護(hù)。 反極性保護(hù)由二極管D1提供。 L1、C1、C2以pi型濾波器排列連接，以降低功率開關(guān)級內(nèi)電流快速變化引起的差動(dòng)噪聲。L2、C4和C5組成共模濾波器，以減輕電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)電壓快速變化所產(chǎn)生的噪聲。電容器C3為電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流需求提出了一個(gè)低阻抗源，TVS1是一個(gè)雙向瞬態(tài)浪涌抑制器，以防止尖峰和浪涌。C6和C7可降低輸出端的共模噪聲，但對于要求使用低噪聲電源的應(yīng)用，可能需要在輸出端增加一個(gè)差分濾波器。

在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)布局時(shí)，為了保持回路的短小，去耦電容C4、C5、C6、C7應(yīng)盡量靠近連接引腳和機(jī)箱與底板的連接。TVS1、瞬態(tài)電壓抑制器和橫跨輸入端的電解電容C3應(yīng)盡量靠近輸入引腳。 應(yīng)避免電源模塊下方的PCB軌道。

如果在轉(zhuǎn)換器前使用PFC模塊，還需要一個(gè)高壓電解散裝電容器C6，通常額定電壓為450VDC。終端系統(tǒng)所需的保持或穿越?jīng)Q定了電容器的值。

圖5：AC輸入系統(tǒng)示意圖

有的組合式單磚PFC和DC/DC模塊，散裝電容器提供外部連接。對AC輸入系統(tǒng)的要求是，在設(shè)計(jì)階段必須遵守相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線路、神經(jīng)、接地和輸入到低壓輸出之間的爬電和間隙距離。

任何額外的組件也需要包括在溫度管理設(shè)計(jì)中，以確保它們保持在其溫度和安全限度內(nèi)。溫度會影響電解電容器的壽命，只要降低10攝氏度，使用壽命就會翻倍，因此選擇元件設(shè)計(jì)壽命、溫度等級和冷卻安排對維持終端設(shè)備的預(yù)期使用壽命至關(guān)重要。使用導(dǎo)熱墊和使熱敏感元件遠(yuǎn)離高溫部件有助于保持整體系統(tǒng)的可靠性。

使用底板對流冷卻電源轉(zhuǎn)換模塊是嚴(yán)苛環(huán)境中密封設(shè)備的理想方案，也是許多運(yùn)輸系統(tǒng)、國防應(yīng)用和桅桿頭安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的常用方案。