高功率降壓轉(zhuǎn)換的散熱評估測試原理概述

本文為第一部分，將首先描述用于執(zhí)行測量的設(shè)置、測試板的簡要概述以及用于實驗的各種散熱片。測試結(jié)果將在后續(xù)的文章中介紹并總結(jié)在設(shè)計高輸出功率預(yù)調(diào)節(jié)器時使用散熱片的效果。

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插播一條研討會直播預(yù)告

USB PD3.1快充的最新標(biāo)準(zhǔn)升級至240W額定功率，最高48V電壓輸出，大幅擴(kuò)展USB在電源和電池充電器方面的應(yīng)用。此在線研討會將檢視 USB 負(fù)載如何傳遞信息于 USB 電源，以設(shè)置電壓水平和最大電流，同時亦會展示安森美 (onsemi)USB 產(chǎn)品系列的解決方案。

• 關(guān)鍵要點

1.檢視最新USB標(biāo)準(zhǔn)，將功率擴(kuò)展至240W和48V。

2.安森美USB電源解決方案。

直播主題

USB PD3.1 升級電源和電池充電器應(yīng)用

專家介紹

Bright Yang

安森美應(yīng)用工程師

Bright Yang負(fù)責(zé)安森美USB PD電源產(chǎn)品的開發(fā)及推廣，擁有超過二十年的電子開發(fā)經(jīng)驗，精通通信以及USB電源產(chǎn)品的軟硬件及系統(tǒng)架構(gòu)。

圖 1 描述了用于測試板熱評估的設(shè)置，包括以下儀器

電流從電源 OUT 端口流向功率分析儀輸入電流端口I1-IN，功率分析儀在此進(jìn)行測量。然后它通過 I1-OUT 從功率分析儀流出到被測器件(DUT)的 VIN 端口。電源分析儀 V1 連接到DUT VIN 端口以測量輸入電壓。電源的 GND 連接到 DUT 和功率分析儀的 GND。

在輸出側(cè)，電流從 DUT VOUT 端口流向功率分析儀輸入電流端口I2-IN，功率分析儀在此處進(jìn)行測量。然后它通過I2-OUT 從功率分析儀流出到直流電子負(fù)載的 CH1 端口，這里設(shè)置了DUT 負(fù)載電流。功率分析儀 V2 連接到 DUT VOUT 端口以測量輸出電壓。功率分析儀的GND 連接到 DUT 和直流電子負(fù)載的 GND。

該電源具有傳感功能，可保持提供給 DUT 的電壓恒定 (補(bǔ)償電纜損耗)，并在傳感器線路出現(xiàn)斷路時保護(hù)敏感負(fù)載。數(shù)據(jù)記錄器會測量 DUT 上不同 IC 組件的溫度。

圖2 軟件 GUI

為了評估不同散熱片的性能和影響，我們設(shè)計了一個基于 100 W 汽車預(yù)調(diào)節(jié)器設(shè)計的專用板，且針對熱評估進(jìn)行了優(yōu)化。圖3 顯示了具有 5V 輸出電壓和高達(dá) 20 A輸出電流能力的同降壓壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。汽車降壓控制器 NCV881930 具有 410 kH 的固定開關(guān)頻率。它驅(qū)動兩個符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 40 V MOSFET NVMFS5C460NL(帶底面裸露焊盤的 SO-8FL)，它們并聯(lián)在降壓轉(zhuǎn)換器的高邊 (HS) 和低邊(LS)，以實現(xiàn)高達(dá) 20 A 的高輸出電流。

對布局進(jìn)行以下修改，可以對電路板進(jìn)行熱評估：

圖4 DUT頂面

從機(jī)械角度來看，將散熱片正確且可更換地安裝到 PCB 上是最具挑戰(zhàn)性的部分。對于任何配置，在散熱片和散熱表面之間必須有一個薄膜間隙墊，以實現(xiàn)良好的導(dǎo)熱性。發(fā)射表面(如PCB 或 MOSFET 的封裝)從來都不是完全平坦和平行于散熱片的，因此間隙墊確保了兩者之間良好的層狀界面。材料選擇起著重要作用，顯著影響熱性能。例如，一個需要承受高電壓的材料的熱阻總是比基于石墨的導(dǎo)電材料高得多。

對于本測試設(shè)置，選擇了厚度為 0.5 mm 的 KERAFOL“SOFTTHERM”材料，請參見表 2。所有測量均使用 3.0 W/(m·K) 材料進(jìn)行，其熱阻為 0.41 KW。6.0 W/(m·K) 材料(熱阻為 0.20 KW) 僅在本白皮書未尾用于兩種材料的比較。

用于連接散熱片的扭矩也會影響熱阻抗。通常，壓縮越高，熱阻越低。這是因為壓縮降低了整體厚度并增加了材料的密度。這兩個因素都提高了導(dǎo)熱性。厚度為 5 mm 的 86/300 SOFTTHERM 材料在零壓下的熱阻為 4.1 KW。30 N/cm² 的壓力會使厚度變?yōu)?3.7 mm，熱阻降低到 3.0 KW。這種材料的最薄版本厚度為 0.5 mm。在這種情況下，當(dāng)施加 30 Ncm的最大壓力時，材料可以壓縮到 0.3 mm。同時，熱阻從 0.4 K/W 下降到 0.25 KW。壓力過高會損壞薄膜間隙墊，例如導(dǎo)致泄漏。例如，對于 86/300 SOFTTHERM，壓縮量不應(yīng)超過原始厚度的 30%。

對于本測試設(shè)置，壓力的絕對值不是必需的，只要過高的扭矩或壓力不會損壞薄膜間隙墊和機(jī)械設(shè)置即可。最關(guān)鍵的一點是，用于每個散熱片和每種設(shè)置的壓力必須是相同的;否則，結(jié)果將無法比較。如前所述，壓力和熱阻之間的關(guān)系清楚地表明壓力會顯著影響整個系統(tǒng)的熱性能?？紤]厚度為 0.5 mm 的薄膜間隙墊，從 30 N/cm² 的最大壓力降到零壓力后，熱阻增加 60%。

一種相對簡單但可靠的設(shè)置是基于彈簧的，它通常用于在計算機(jī) CPU 上安裝散熱片。在這種機(jī)械設(shè)置中，螺釘將彈簧固定到位，將散熱片壓到 CPU 的頂面。壓力取決于彈簧的彈力,而不是螺釘?shù)呐ぞ?，因為它們不會對散熱片?CPU 施加壓力。

圖6顯示了將散熱片安裝到 PCB 上的設(shè)置。電感器和 MOSFET 位于底面，熱量通過 PCB散發(fā)到散熱片。在 PCB 的熱點周圍放置了無數(shù)的過孔，以降低 PCB 的熱阻，改善 PCB 中的垂直熱流。散熱片和 PCB 之間的薄膜間隙墊可以使任何粗糙和不均勻的表面變平整，以最大限度地減少熱阻。散熱片具有用于將散熱片和彈簧固定到位的螺釘?shù)穆菁y。彈簧由螺釘輕輕預(yù)壓，使散熱片壓在 PCB 上。彈簧被壓縮的長度與其彈力成正比，所有四個彈簧都需要具有相同的長度才能為每個固定點施加相同的壓力。對每個設(shè)置使用相同的彈簧長度和機(jī)械力可確?？蓮?fù)現(xiàn)和可比較的結(jié)果。

選擇它們的原因是，在給定各自高度的情況下，它們各自的熱阻之間存在顯著差異。隨著每次高度的增加，熱阻大約減小二分之一。這應(yīng)有助于清楚地區(qū)分不同散熱片的熱性能。

輸出功率

輸入功率

總損耗

分流損耗

電感損耗

高邊 MOSFET 導(dǎo)通損耗

低邊 MOSFET 導(dǎo)通損耗

肖特基二極管的死區(qū)時間損耗

在從高邊到低邊 MOSFET 的電流轉(zhuǎn)換期間(反之亦然)，所有 MOSFET 都關(guān)閉一段特定的時間，稱為“死區(qū)時間”。在此短時間內(nèi) (典型值為 20 ns)，電流流過低邊 MOSFET 的體極管。如果將額外的肖特基二極管與低邊 MOSFET 并聯(lián)放置，則死區(qū)期間的電流會流過肖特基二極管，因為它的正向電壓(典型值為 0.485 V) 低于體二極管 (典型值為 0.86 V)。使用肖特基二極管的另一個主要好處是避免體二極管的反向恢復(fù)損耗，因為肖特基二極管沒有反向恢復(fù)損耗。由于正向壓降導(dǎo)致的死區(qū)時間損耗出現(xiàn)在肖特基二極管上，必須考慮 I_L,MIN (關(guān)閉低邊 MOSFET) 和I_L,MAX (打開低邊 MOSFET)。

電容損耗

高邊 MOSFET 的輸出電容在 toff 期間被充電至(Vin- Vf)。通過打開 MOSFET，導(dǎo)通電阻縮短了輸出電容；因此，儲存的能量被轉(zhuǎn)化為熱量。

開關(guān)損耗

開關(guān)損耗很難被估算，因為它取決于復(fù)雜的參數(shù)，例如柵極驅(qū)動器跡線的寄生電感。因此，在這種情況下，將使用不同的方法來測定。如果從總損耗中減去所有已知和計算的損耗，則剩下的就是總開關(guān)損耗。當(dāng)然，PCB 的銅電阻也會產(chǎn)生一些損耗，但由于大小未知和不占主導(dǎo)，它們也會被忽略。

高邊 MOSFET 總損耗

低邊 MOSFET 總損耗

根據(jù)上述計算，高邊 MOSFET 的總損耗比低邊 MOSFET 高得多，因此可以假設(shè)高邊MOSFET 的升溫遠(yuǎn)高于低邊 MOSFET 的升溫。圖8 顯示了低邊 MOSFET 在所有負(fù)載電流下的損耗小于 1.0 W，而高邊 MOSFET 在 20.0 A 負(fù)載電流下的損耗大于 6.0 W。

圖8 MOSFET損耗