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选用不同DC/DC 电源模块的电气/散热功能问题讨论

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。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

体系规划人员有必要保证为其终端设备选用的 DC/DC 电源模块可以在整个温度运用范围内供给所需的电气/散热功能。他们有必要对不同厂商出产的模块进行电气/散热功能比较。因为体系规划人员有必要保证为其终端设备选用的 DC/DC 电源模块可以在整个温度运用范围内供给所需的电气/散热功能。别的,测算实践体系环境中模块所能输出的最小和最大负载电流将成为确认电源本钱和牢靠性的最重要要素,因为这将有助于体系规划人员以最低的本钱取得所需输出电流的模块。

电源模块的电气/散热功能由其热降额曲线来表明,这种曲线是断定模块全体功能的最佳、最常用的手法。电源模块厂商进行了很多的散热测验以生成不同的热降额曲线,并在产品阐明书中列出。图 1 显现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作业区 (SOA)——在未超越引荐散热规划限额的情况下完结最大电气输出的作业条件。

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(促进模块中某种组件的温度到达预先设定的限额)。在上述示例中,实践运用中将会需求 30A 的负载电流;环境条件包含 50°C 的环境温度和低至 1.0 米/秒 (200 lfm)的气流速度。在查阅模块的产品阐明书后,从 SOA 曲线(图 1)咱们可以看出,在上述条件下,最大输出额外电流为 30A 的模块只能继续、牢靠的输出 23A 的电流。依据热降额曲线,体系规划人员可以断定所选用的模块是否能在所需的环境温度下输出需求的电流、是否需求弥补额外的气流以及在罩壳中的滤波器出现堵塞、冷却电扇毛病的情况下可用的预留容量。并且,依据散热数据,体系规划人员还可以断定是否有必要减载运转(使模块在低于其最大输出功率的情况下运转)、添加冷却空气供应量,或在某些情况下,加装散热片。

在实践运用中,许多 DC/DC 电源模块并不能到达其产品阐明书主页上列出的输出电流额外值。其间一个原因是电源模块厂商供给的器材阐明书自身的问题,另一个原因是电源模块职业对独立和非独立 DC/DC 电源模块没有规范的热降额鉴定办法。

竞赛环境

体系规划人员面临着从多家供货商中挑选模块的问题。因而,DC/DC 电源模块事务的竞赛适当剧烈,其间一个方面就表现在器材阐明书方面——这已促进电源厂商以日趋立异的办法来描绘其产品功能,以招引潜在客户的眼球。

但是,令人遗憾的是,当解析厂商的热降额数据时,进行实践的比较就并非如此简略了。首要,体系规划人员应考虑到降额测验细节的不同之处,比方气流和环境温度丈量办法和方位、组件答应的最高温度、电路板距离、以及测验设备都会对降额曲线发生严重的影响。因为存在这些不同,所以在未了解不同厂商发布的降额曲线的丈量办法之前,就不能容易对其进行比较。

热降额丈量

现在,散热功能丈量还没有职业规范,两种传统的办法均选用在风道内进行空气流速丈量。这种设置模仿在当今大多数具有分布式电源架构的电子体系中的典型散热环境。并且,在网络、电信、无线和先进的计算机体系中运用的电子设备都在类似的环境中运转,并选用笔直装置的印刷电路板或柜架中的电路卡。

图 2 显现了一种典型的 SOA 受限测验设置计划:将电源模块装置在测验电路板上,并在风道内处于笔直方向。附近的电路板用于模仿卡架 (card rack) 环境,该电路板迫使空气流向电源模块的上方。并且,两板块的距离一般为模块高度的两倍。别的,这种风道设置选用探测器来丈量单点的气流和环境温度。

图2. SOA 受限测验设置计划。

一般来说,在电源模块处于额外输入电压时,对其进行测验。当负载电流在没有负载至最大负载之间改动时,热电偶或热成像摄像头用于丈量首要组件的温度,并在若干典型气流值(一般从 0 至 2.5 米/秒)时,进行数据收集。

在风道中,有时选用烟气对气流进行定性阐明。如图 3 所示,受限测验设置形式削减了电源模块中丝状烟气的距离,这表明了与在模块前端丈量得出的气流比较而言,整个模块中的气流速度已有所进步。并且,面临印刷电路板平行面的气流速度可从 1 米/秒进步至 2 米/秒。别的,选用这种办法的厂商以为,此种办法能模仿相应的卡架环境。

图3. 气流穿过 SOA 受限测验设置时的景象[1]。SOA 未受限测验设置的景象如图 4 所示,此刻,电源模块焊接于风道内的测验电路板上。这种设置没有面临印刷电路板的平行面。

图4. SOA 未受限测验设置计划。

SOA 未受限测验设置计划答应空气在模块上方活动而无需约束气流速度,并且这并没有像在受限测验设置计划中那样削减流转截面积(进步气流速度)。如图 5 所示,模块前端和模块外表的丝状烟气距离坚持相对不变,这表明了穿过模块的气流速度与在模块前端丈量得出的气流速度相同。别的,在受限测验设置计划中,穿过模块的气流速度更高,然后生成改动更为峻峭 (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 未受限测验设置时的景象[2]。温度丈量办法

温度丈量对 SOA 曲线的准确性至关重要。为此,部分厂商主张,在印刷电路板上的某一点对温度进行丈量。但是,一般情况下,这并非是电路中温度最高的一点。所以,出于对丈量准确性方面的考虑,应直接对温度最高的组件进行丈量(一般为 FET、操控 %&&&&&% 以及磁性组件),并且有必要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。别的,大多数厂商选用主动丈量办法来确认散热功能,这种丈量办法经过在各种电源组件上设置热电偶来完结,这些电源组件包含 FET、磁性组件以及在程序操控的作用下可以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丈量作业,是因为其金属结构的影响——热电偶将传导与其触摸组件上的热量,这样,致使更难以获取丈量组件真实的散热情况。

并且,热电偶选用单点温度丈量法。再者,因为热形式不易猜测,因而并非总能清楚丈量所需热电偶的装置方位。鉴于此,电源厂商将热电偶装置于多个点。别的,因为电源模块大将热电偶与各点相连的导线会阻碍穿过组件的气流,所以导致组件在更高的温度下运转。

现在,许多厂商选用热(红外线)成像技能来帮忙规划和杰出其产品特征。热成像摄像头为首要组件的温度丈量供给了除热电偶之外的另一种挑选。并且,热成像技能选用多点的办法来丈量散热功能,这种丈量技能既适用于受限测验设置计划,一起也适用于未受限测验设置计划。如图 4 所示,电源模块的热成像是经过风道一侧的窗口来拍照完结。

热成像技能常用于电源组件可见的情况下,所以其可以丈量各组件的外表温度。并且,所得成像可将模块的全体散热情况清楚的出现出来,一起还能确认组件布局方面存在的问题以及应力过大的组件。再者,经过热成像,电源厂商还可评价冷却作用以及来自相邻散热片和组件的“影响”。组件答应的最高温度

经过丈量组件的外表温度,即可直接估算出组件内部的中心温度。一起,需求了解的还有半导体的结温以及磁性部件的绕组温度。别的,经过改动这些组件上设置的温度限额,即可改动模块的降额曲线,以及模块在特定环境温度时的额外输出巨细和气流。

部分厂商经过将组件内部温度限额调至正常值以上而将其模块的额外值进步——这将有助于进步散热等级。例如,一家厂商会将结温设置在接近于组件最大肯定额外温度的条件下,运转 FET,而另一家厂商则会将结温约束在一个较低、更为保存的数值范围内。这些相反的规划条件会对电源模块的全体功能和牢靠性发生严重影响。例如,假如 FET 的运转温度从 115°C 进步至 125°C,一起其他一切的运转条件坚持不变,那么模块的牢靠性 MTBF 等级将从 929,368 小时 (1076 FIT)变为 822,368 小时(1216 FIT)[4]。

厂商经过选用这些更高的额外值,然后在产品阐明书上宣传其产品优胜的散热功能。而厂商所声称的这些功能以及产品阐明书内页上的 SOA 曲线图使规划人员信任,他们自己就可以完结该模块在更高的温度下在其体系中牢靠的运转。但是,规划人员却没有意识到,假如在这些运转条件下,继续运用该电源模块,那么模块的运用寿命将会缩短。

哪一种 SOA 测验设置计划更为可取?

丈量散热功能的办法之所以无对错之分,是因为每一种办法都有其共同的优势。例如,从受限测验设置计划中获取的 SOA 曲线只能适用于与此测验设置相类似的环境中,而从未受限测验设置计划中获取的 SOA 曲线的适用范围更广。别的,因为在许多实践运用过程中并未选用设置气流约束的并行电路板,所以未受限测验设置计划为最保存的办法。

除了 SOA 测验设置之外,还有许多其他要素会影响测验成果。首

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