在模塊化電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中熱降額曲線的重要性介紹

為其系統(tǒng)使用模塊化電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計人員了解熱降額曲線對其設(shè)計成功的重要性。營銷人員沒有冒犯，但數(shù)據(jù)表首頁上的項目符號功能，例如那些聲稱“高達50 A輸出電流”的功能，很好地表明了功率轉(zhuǎn)換器的一般功能，但可能會導(dǎo)致設(shè)計人員陷入困境。如果用于與其他制造商的數(shù)據(jù)表進行比較，選擇可在其設(shè)計中工作的轉(zhuǎn)換器，則會出現(xiàn)無法返回的黑暗路徑。數(shù)據(jù)表首頁規(guī)格可能因制造商而異 - 仔細查看并了解制定規(guī)格和聲明的條件。深入挖掘！

數(shù)據(jù)表

使用數(shù)據(jù)表，第一個要求是了解模塊在整個工作溫度范圍內(nèi)的電氣和熱性能，更重要的是，確切了解制造商如何進行測試以獲得保證數(shù)據(jù)表中列出的最小和最大規(guī)格。

必須確定系統(tǒng)要求的最小和最大負載電流，以及模塊能夠在整個環(huán)境工作溫度范圍內(nèi)提供的舒適余量。這將有助于保證最終系統(tǒng)的可靠性和成本。1（項目經(jīng)理或老板的兩個主要事項是最優(yōu)先考慮的事項）。

如果環(huán)境溫度降低，則會產(chǎn)生更多的熱損耗，從而增加輸出電流。通過增加空氣流速，通過對流的熱損失增加，并且設(shè)計者可以再次增加輸出電流。功率模塊內(nèi)部限流裝置最終將輸出電流限制在某個最大值.2

熱降額曲線

繪制的環(huán)境溫度與負載電流之間的關(guān)系讓位于所謂的熱降額曲線。該曲線應(yīng)始終伴隨空氣流量和指定的標稱輸入和輸出電壓（見圖1）。

圖1：典型的電源模塊熱降額曲線，指定了氣流和輸入/輸出電壓。

此曲線現(xiàn)在確定在各種空氣流速，輸入和輸出電壓以及環(huán)境溫度下確定的設(shè)備的安全操作區(qū)域（SOA）。這些是內(nèi)部組件處于或低于制造商最高工作溫度的條件。

熱測試標準和測量

制造商通常從測試方法中獲得熱降額曲線，在他們的測試設(shè)施中進行。由于目前沒有行業(yè)標準，這些方法可以而且會有所不同，但最常見的方法是使用放置測試板的風洞，其中包含焊接到位的被測器件（DUT）。熱電偶（見圖2）或熱成像攝像機（見圖3）用于查看各種輸入和輸出電壓，負載電流，氣流和方向，模塊方向以及相鄰印刷電路板的氣流阻塞和/或DUT組件。

圖2：熱電偶附件選項。 （由Lineage Power提供。）

圖3：從功率模塊上的熱測量獲得的熱紅外圖像的示例。 （由Lineage Power提供。）

設(shè)計師考慮使用哪個制造商的電源模塊必須確定該制造商是否使用了熱像儀或熱電偶溫度測量標準。如果使用熱電偶，必須確定測量是在DUT或PC板上的單個位置或外部元件“熱點”進行的。通常FET外殼或接頭，控制IC或磁性是最熱的如果使用熱電偶，應(yīng)直接測量元件。請注意，在低質(zhì)量組件上使用熱電偶時，熱電偶本身的金屬結(jié)構(gòu)會將一些熱量從其接觸的部件傳遞出去，因此會對精確的熱分布造成一些誤差。必須在測試標準中進行“從蘋果到蘋果”的比較，以便在系統(tǒng)中使用哪個電源模塊進行有根據(jù)的選擇。

另一個需要考慮的重要因素是SOA測試設(shè)置是否“受限制”。這意味著在測試中使用相鄰的PC板來模擬卡架環(huán)境。當在電路板之間引導(dǎo)時，該取向迫使電源模塊上方的空氣。平行的PC板可以將空氣流量從1米/秒增加到2米/秒（見圖4）。

圖4：臺式風洞示例（由Lineage power提供）

在無限制的SOA測試設(shè)置中，沒有面向并行的印刷電路板?？諝庠谀K上移動而不限制氣流。與限制情況相比，這種情況下的空氣速度降低。

Lineage Power提供了一些關(guān)于熱降額的最佳數(shù)據(jù)表和一個很好的應(yīng)用說明。例如，采用Austin Microlynx II SMT非隔離板安裝電源模塊。

驗證系統(tǒng)性能和可靠性時需要考慮的其他重要細節(jié)

必須在最終系統(tǒng)中進行熱測試，電源模塊將駐留在最終系統(tǒng)中。諸如PC板布局和功率模塊的位置，銅層數(shù)和用于將熱量從模塊熱傳導(dǎo)的銅的厚度，氣流阻塞和湍流等變量（注意：由于較低的高度，冷卻效率在較高的海拔處降低空氣分子密度），產(chǎn)生熱量的相鄰組件，卡架中的PC板間距（如果使用）以及可能的故障模式。

不得超過半導(dǎo)體和磁性元件的最高工作溫度，因此需要在最惡劣的環(huán)境和空氣流動條件下進行充分的測試。如果在最大結(jié)溫或接近最高結(jié)溫下工作，F(xiàn)ET特別容易發(fā)生劣化（請注意，某些制造商可能會將某些元件的工作溫度設(shè)置得更接近絕對最大額定值 - 這會對可靠性產(chǎn)生不利影響）。必須仔細檢查平均故障間隔時間（MTBF）的系統(tǒng)規(guī)范，并且不會因上述潛在問題區(qū)域而降級（見圖5）。

圖5：MTBF可以計算為系統(tǒng)故障之間的算術(shù)平均（平均）時間。

電源模塊效率

電源模塊的效率會極大地影響模塊內(nèi)的散熱。效率的小幅提高可以使散熱量減少十倍。

多個模塊的當前共享

例如，德州儀器（TI）在具有電流共享的雙模塊的情況下，在熱降額方面做得非常出色，如PTH08T250W系列數(shù)據(jù)表所示。