一文解讀DC/DC轉換器的熱管理及熱分析

我們繼續(xù)了解一下DC/DC轉換器的熱管理及熱分析，還有出現(xiàn)是故障率及其可靠性。

熱管理及熱分析

系統(tǒng)級熱設計對于DC / DC轉換器的電氣規(guī)格同樣重要。越來越多的分布式電源架構（DPA）使用增加了熱設計的復雜性。單個多路輸出AC / DC電源用于在常規(guī)電源架構中為各種負載供電。集中式電源的使用集中了電源轉換過程的散熱，從而實現(xiàn)了直接的散熱設計。

在DPA中，單輸出AC / DC電源產生相對較高的分配電壓（例如12VDC或48VDC），并通過多個非隔離式降壓DC / DC轉換器為低壓負載供電。 DPA體系結構將功率轉換過程的散熱散布在整個系統(tǒng)中，并使散熱設計復雜化。使用DPA的好處是可以包括較小的總體解決方案尺寸，更高的效率和更低的成本。

DC / DC轉換器選擇注意事項

效率通常被認為是最重要的規(guī)范。效率對熱管理有重大影響。因此，使用高效的DC / DC轉換器非常重要。但并不是那么簡單。效率通常是在滿載條件下指定的，而DC / DC轉換器通常會降額使用，并且工作功率低于滿功率，以提高系統(tǒng)可靠性。而且系統(tǒng)通常不會一直在最大功率下運行。事實證明，為給定應用選擇最高效的轉換器并不像初次看起來那樣簡單。了解系統(tǒng)工作條件后，設計人員可以選擇效率特性符合系統(tǒng)需求的DC / DC轉換器。

此外，DPA中使用的降壓轉換器具有多種設計，每種設計都有不同的效率權衡。例如，在高負載下，同步降壓轉換器比非同步降壓轉換器效率更高。但是最佳選擇取決于系統(tǒng)的運行特性。與同步設計相比，非同步降壓在輕載條件下通常更為有效。在大量時間在低功率水平下運行且僅偶爾需要峰值功率的系統(tǒng)中，非同步降壓可以提供更高的整體運行效率。由于其設計更簡單，因此非同步降壓的成本更低，并且更可靠。

額定12V輸入和1.5V輸出的同步和非同步DC / DC轉換器的效率比較。圖片：德州儀器（Texas Instruments）

在要求最高效率的系統(tǒng)中，新興的半導體材料（例如氮化鎵（GaN））的使用可以提供更高的效率和更小的尺寸。GaN是一種寬帶隙材料，具有比傳統(tǒng)硅更高的導電性。與硅器件相比，GaN晶體管更小，具有相同導通電阻的較低電容。零QRR可減少高頻損耗。GaN的開關性能可實現(xiàn)更高的功率密度，更高的頻率，更高的開關精度，更高的總線電壓和更少的電壓轉換損耗。

硅與氮化鎵（GaN）的48V至12V DC / DC轉換器的效率比較。 （圖片：EPC）

在散熱設計和散熱能力方面，并非所有板上安裝的DC / DC轉換器都相同。有些在絕緣金屬基板上構建，以增強熱性能。有些包含用于改善導熱性的散熱孔，有些則開始使用3D封裝，該封裝使用堆疊的，嵌入式的或平面的組件顯著減小尺寸。

減小物理尺寸不僅增加了功率密度，而且減少了寄生效應和較小的電流環(huán)路，這意味著，即使使用MHz的開關頻率，也可以將EMI控制好。權衡使熱管理可能變得更加復雜。DC-DC轉換器的整體溫度性能在很大程度上取決于最終應用。

隨著不斷受限的電路板空間中性能的提高，需要諸如3D電源封裝之類的技術進步來確保功耗不會迅速增加。否則，性能極限將取決于溫度，而不是設計的最大功率。圖片：RECOM

系統(tǒng)熱分布

熱量管理始于在設計階段通過系統(tǒng)熱分布圖測量工作溫度來識別發(fā)熱點和其他重點區(qū)域。對于特定的操作環(huán)境而言，熱圖對于實現(xiàn)正確的熱管理系統(tǒng)設計是必需的。它有助于確定系統(tǒng)運行期間需要監(jiān)視（測量）的區(qū)域。

如果使用紅外（IR）攝像機進行的熱成像表明一個或多個熱點PCB的溫度高于預期溫度，這可能表明存在問題。重要的是要考慮到靠近較高熱量附近的組件；他們可能會經歷長期的老化影響。為了檢測熱點，需要足夠的幾何分辨率。只有通過足夠數(shù)量的像素才能很好分辨的細節(jié)以及正確測量。因此，高分辨率紅外攝像機系統(tǒng)是在系統(tǒng)開發(fā)過程中使用的不錯選擇。

在產品開發(fā)過程中，通常將高分辨率紅外攝像頭系統(tǒng)用于熱成像。圖片：InfraTec

與熱電偶或點測高溫計不同，高分辨率紅外熱像儀可以在系統(tǒng)和設備上獲取準確的溫度讀數(shù)。而且散熱設計并非一成不變。在不斷變化的系統(tǒng)運行狀況下，整個系統(tǒng)的散熱通常會變化（有時會迅速變化）。一些紅外熱像儀可以記錄高速數(shù)據，并具有表征快速熱瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱條件所需的靈敏度和空間分辨率。

監(jiān)控熱性能

內置熱關斷功能通常用于板裝DC / DC轉換器，連續(xù)監(jiān)控轉換器的工作溫度通常非常有用，以下是可用于熱監(jiān)控的組件的兩個示例。

熱敏電阻是隨溫度變化的電阻，通常由導電材料制成，例如金屬氧化物陶瓷或聚合物。最常見的熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)（NTC）為負，通常稱為NTC。使用NTC需要信號調理。熱敏電阻通常與分壓器中的固定值電阻器一起使用，其輸出使用模數(shù)轉換器（ADC）進行數(shù)字化。

顯示熱敏電阻如何與ADC接口的基本電路。電阻R1和熱敏電阻形成一個分壓器，其輸出電壓取決于溫度。 （圖片：Maxim）

溫度傳感器IC利用PN結的熱特性。由于它們是使用常規(guī)半導體工藝構建的有源電路，因此它們可以采用多種形式，并具有多種功能（例如數(shù)字接口，ADC輸入和風扇控制功能）。溫度傳感器IC的工作溫度范圍從-55°C到+ 125°C，一些器件的工作溫度上限約為+ 150°C。

故障率及可靠性

板載DC / DC轉換器的可靠性對于理解和量化非常重要。它是隨時間變化的系統(tǒng)或設備故障發(fā)生頻率的度量?？煽啃允怯^察到的故障率，它定義為兩次故障之間的時間（以小時為單位），稱為平均故障間隔時間（MTBF），或者直到第一次故障之間的時間（也以小時為單位），稱為平均故障間隔時間（MTTF）。有時，可靠性是通過MTBF數(shù)字的倒數(shù)（基于109小時）來量化的，稱為時間失敗單位（FIT）：FIT = 109 / MTBF。

每個設備都有一個故障率λ，它是每單位時間發(fā)生故障的單元數(shù)——故障率在設備的整個生命周期中以可預測的方式變化。當繪制為故障率與時間的關系時，通常稱為可靠性浴盆曲線。它顯示了早期故障率的總和，以及產品整個生命周期中的恒定（隨機）故障率，再加上壽命終止時的磨損率。

浴盆曲線用于說明觀察到的電子系統(tǒng)故障率。圖片：維基百科

在產品壽命的第一階段，由于材料缺陷或制造錯誤（未在最終測試和檢查中發(fā)現(xiàn)）而導致所謂的失效，因此故障率不斷下降，λ下降。板裝式DC / DC轉換器的大多數(shù)失效發(fā)生在運行的最初24小時內。

在電子產品中，Arrhenius方程用于確定在給定溫度下工作組件的預計壽命。它適用于化學方法，可測量與溫度有關的反應速率，并觀察到將溫度降低10°C將使產品可靠性提高一倍。相反，提高工作溫度會加快電子設備的故障率。

Arrhenius方程是電子設備和系統(tǒng)失效的理由。例如，剛制造的DC / DC轉換器在老化室內在滿負荷和高溫下運行約4小時，可以消除許多早期失效現(xiàn)象。通常使用40或50°C進行老化，有時會進一步使用較高的溫度和較高的濕度。高可靠性DC / DC轉換器通常會進行24小時老化。

在產品和系統(tǒng)開發(fā)過程中，用于高度加速壽命測試（HALT）和高度加速應力篩選（HASS）的加速應力測試系統(tǒng)會發(fā)現(xiàn)產品設計的弱點。執(zhí)行HALT和HASS可以最大限度地提高實驗室效率，同時降低與保修和召回相關的成本，從而提高產品可靠性。HALT和HASS使用溫度和振動應力來消除設計問題，開發(fā)出更可靠的產品并篩除早期產品故障問題。HALT和HASS決定了產品的運行和破壞極限，因為在對產品施加壓力的同時對其進行了功能測試并不斷監(jiān)測其故障。

HALT和HASS測試箱用于產品開發(fā)和產品測試。圖片：Thermotron

在大多數(shù)DC / DC轉換器的使用周期中，除了初始故障率之外，它們會經歷恒定的故障率λ，并且可靠性曲線基本上是平坦的。恒定故障率持續(xù)的時間取決于各種因素，例如應用環(huán)境的固有應力，所用組件的質量，DC / DC轉換器的制造質量等等。隨著在產品使用壽命到期時的磨損過程中，故障率會不斷提高。

預測可靠性

預測可靠性的兩個最常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性預測程序SR-332。這些和其他可靠性預測部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217最初是由美國軍方開發(fā)的，可產生MTBF和MTTF數(shù)據，而Telcordia SR-332是為電信行業(yè)開發(fā)的，可產生FIT數(shù)據。當前，MIL-HDBK-217是使用最廣泛的可靠性計算方法。

可以使用零件計數(shù)分析（PCA），零件應力分析（PSA）或通過現(xiàn)場數(shù)據證明，通過幾種方式預測和量化可靠性。這些量化可靠性的方法中的每一種對于電力系統(tǒng)設計人員都有特定的用途。PCA需要最少的數(shù)據，通常在產品開發(fā)過程中使用。PCA分析僅根據物料清單和預期用途得出估算的產品故障率λP，從而可以計算仍在設計的產品的MTBF：λP=（ΣNCλC）（1 + 0.2πE）πFπQπL（公式來源：RECOM）

其中：

NC =零件數(shù)（每種組件類型）

λC=從數(shù)據庫中獲取的每個零件的故障率

πE=特定于應用的環(huán)境壓力因子

πF=混合函數(shù)應力c通過組件交互

πQ=標準零件或預篩選零件的篩選水平

πL=成熟因子是經過驗證的設計還是新方法

為使用的每個組件計算PCA，并通過將所有單個預測相加得出總可靠性預測。

用于簡單DC / DC轉換器的PCA可靠性分析。（表：RECOM）

MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲線擬合從現(xiàn)場操作和測試獲得的經驗數(shù)據，提供恒定故障率模型。像PCA分析一樣，PSA模型具有恒定的基本故障率，該故障率由環(huán)境，溫度，應力，質量和其他因素決定。但是PSA方法假定沒有對一般恒定故障率的修正。盡管它廣泛適用于板載DC / DC轉換器等器件，但MIL-HDBK-217方法最初旨在提供零件的結果，而不是設備或子系統(tǒng)的結果。

MIL-HDBK-217和Telcordia SR-332的主要概念相似，但是Telcordia SR-332還具有合并老化、現(xiàn)場和實驗室測試數(shù)據的能力，可用于貝葉斯分析方法。貝葉斯推斷是一種統(tǒng)計推斷的方法，其中隨著更多證據或信息的獲得，貝葉斯被用于更新假設的概率。

系統(tǒng)設計注意事項

DC / DC轉換器故障率分析的重點是工作溫度，輸入電壓和輸出功率，以估算整體應力。良好的熱管理是使用板上安裝的DC / DC轉換器設計可靠系統(tǒng)的最重要方面。良好的熱管理始于了解轉換器的效率如何影響系統(tǒng)性能。采用更高限額的產品始終是一個好習慣。標稱性能規(guī)格并非始終是最佳選擇。與其查看指定的典型額定值，不如查看最壞情況的額定值，特別是為了提高效率，通常是一個不錯的起點。

用諸如上圖所示的管腳兼容的開關穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器可顯著提高效率，減少熱量并有助于提高可靠性。圖片：RECOM

效率通常是在25°C時指定的，但對于在較高溫度下運行的系統(tǒng)來說是很常見的。隨著溫度升高，功率半導體和電路板走線的損耗會增加。銅的溫度系數(shù)為+ 0.393％/°C。如果溫度比室溫高1°C，電阻將增加0.393％。轉換器效率隨輸入電壓而變化，并隨輸入與標稱電壓的變化而降低。

結果，在系統(tǒng)開發(fā)過程中進行熱成像對于識別熱點和其他關注區(qū)域是必要的。通過熱映射，可以針對特定的操作環(huán)境設計正確的熱管理系統(tǒng)。它有助于確定系統(tǒng)運行期間需要監(jiān)視（測量）的區(qū)域。熱映射還可以識別點熱源，例如線性穩(wěn)壓器，可能需要用效率更高的板載DC / DC轉換器（例如，開關穩(wěn)壓器）代替。

盡管熱管理是主要考慮因素，但不應忽視輸入電壓的特性。在臨界值的高線或低線下長時間運行會降低可靠性，而輸入端的浪涌，尖峰和靜電放電（ESD）也會降低產品性能和壽命。在轉換器的輸入端使用保護裝置可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。
編輯：hfy