DC/DC轉(zhuǎn)換器功率降額規(guī)范中的挑戰(zhàn)和替代方法

作者：Flex Power Modules專業(yè)研發(fā)工程師Oscar Persson

當(dāng)今電子系統(tǒng)正在將更多的功能集成到更小尺寸中，但功能增多使功耗也會(huì)增加。因此，為了應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，提供系統(tǒng)電壓軌的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須以更小的封裝實(shí)現(xiàn)更高的功率，即具有更高的“功率密度”。雖然目前的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以具有非常高效率，但仍必須消散巨大熱量以將關(guān)鍵組件保持在其最高額定溫度以下。由于業(yè)界通常使用“磚”式轉(zhuǎn)換器，在沒(méi)有附加散熱器和強(qiáng)制通風(fēng)的情況下，這些部件會(huì)隨著本地環(huán)境溫度升高而出現(xiàn)嚴(yán)重降額，并且通常只能在 20 攝氏度左右提供全功率，這在具有 kW 級(jí)本地負(fù)載的服務(wù)器機(jī)架等應(yīng)用中外殼內(nèi)部是不切實(shí)際的溫度要求。為了在 50℃或更高的典型局部環(huán)境下實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，必須使用強(qiáng)制空氣或傳導(dǎo)冷卻，這種情況下，轉(zhuǎn)換器的熱特性、氣流的影響以及其他到周圍環(huán)境的散熱路徑就變得更加重要。

必須對(duì) DC-DC 環(huán)境做出假設(shè)
在考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器上氣流和其他散熱路徑的有效性時(shí)，存在許多變量，其中包括：

本地環(huán)境溫度

氣流速度

氣流方向

轉(zhuǎn)換器的方向

印刷電路板 (PCB) 的尺寸

PCB 內(nèi)導(dǎo)電層的數(shù)量和厚度

PCB的布局

PCB上的其他組件功耗

其他組件的氣流“陰影”（Shadowing’ of airflow）

氣流湍流

由于轉(zhuǎn)換器制造商無(wú)法預(yù)測(cè)終端系統(tǒng)中這些因素中的大多數(shù)及其影響程度，因此他們只能通過(guò)特定的測(cè)試設(shè)置（例如 Flex Power Modules 使用的圖 1 所示設(shè)置）對(duì)其部件的特性進(jìn)行假設(shè)。這種測(cè)試可生成降額曲線，如圖 2 所示。PKU4213D 是一款 12V、15/17A 輸出、隔離式轉(zhuǎn)換器，具有 36～75V 輸入。

圖 1：表征 DC-DC 轉(zhuǎn)換器溫度降額特性的測(cè)試設(shè)置。（來(lái)源：Flex Power Modules ）

進(jìn)行測(cè)試的目的是要使用特定區(qū)域的測(cè)試電路板，使其成為可再現(xiàn)的代表性案例，該指定區(qū)域具有指定數(shù)量和厚度的銅層，具體取決于被評(píng)估的轉(zhuǎn)換器功率水平。圖中所示的“對(duì)向”板對(duì)于嘗試更接近地再現(xiàn)真實(shí)機(jī)架環(huán)境，以及如何影響靠近電源模塊的氣流方向和湍流都非常重要。為了快速獲得結(jié)果，測(cè)量是在本地環(huán)境溫度下進(jìn)行，通常比室內(nèi)溫度高幾度，然后監(jiān)控轉(zhuǎn)換器上指定關(guān)鍵組件的熱區(qū)溫度，以及靠近測(cè)試板的特定氣流。在選定氣流速率、標(biāo)稱輸入電壓和負(fù)載電流下，測(cè)量熱區(qū)和本地環(huán)境溫度之間的差異以給出溫升，然后將其外推為在溫度超過(guò)關(guān)鍵組件要求之前給出的最高本地環(huán)境溫度，從而得到器件降額特性曲線。

圖 2：圖 1 測(cè)試設(shè)置生成的降額曲線。（來(lái)源：Flex Power Modules部件 PKU4213D，開放式框架布置）

氣流降額的一些未知數(shù)
上述討論的布置和測(cè)量允許在不同 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行一些比較。盡管并非所有制造商都使用相同的測(cè)試設(shè)置，但對(duì)于最終客戶的環(huán)境總是不同的，因此它只能作為從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器獲得評(píng)估功率的起始點(diǎn)。在從溫升限值推斷該功率時(shí)，需假定在較高環(huán)境下效率保持不變。然而，情況并非如此，由于半導(dǎo)體開關(guān)電壓降變化、導(dǎo)體電阻增加和磁芯損耗增大，所有這些都會(huì)降低效率。額外的功率損耗本身也會(huì)導(dǎo)致更高溫度，因此其效果是不斷累積增大。MOSFET等組件的導(dǎo)通電阻和傳導(dǎo)損耗會(huì)隨著溫度的升高而顯著增加，而二極管則隨著溫度升高而下降較少。這意味著 DC/DC 組件的熱“足跡”或梯度會(huì)隨溫度升高呈非線性變化。

在更高的負(fù)載電流下，不僅效率通常會(huì)因?yàn)樵豌~損而惡化，而且熱阻也會(huì)發(fā)生變化。一個(gè)重要的散熱路徑是通過(guò) DC/DC 模塊引腳到達(dá)電路板，尤其是開放式框架部件。例如，通過(guò)這些引腳電阻的高負(fù)載電流使它們成為熱量發(fā)生器，有效地增大了從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到電路板對(duì)熱流的熱阻。當(dāng)然，最終用戶的電路板會(huì)需要更高的電流并消耗更多的功率，從而升高局部溫度，以及從 DC/DC 模塊到周圍環(huán)境的熱阻。由于這些原因，每個(gè)元件熱阻的特定值只能是近似值。

另一個(gè)變數(shù)是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是否安裝了基板。通過(guò)強(qiáng)制風(fēng)冷，一般可選擇使用“開放式框架”部件，或配備基板的部件。雖然可能沒(méi)有傳導(dǎo)冷卻，但基板具有散熱作用，并能夠提供一個(gè)平坦的表面來(lái)散熱，因此它的效果是有益于散熱。例如，F(xiàn)lex Power Modules 的數(shù)據(jù)表明，在高負(fù)載和高氣流速度下，安裝基板與未安裝基板相比，PKU4213D 產(chǎn)品熱區(qū)最多可降低 15℃ 左右（圖 3）。

圖 3：帶有基板的磚式轉(zhuǎn)換器顯示熱區(qū)溫度顯著降低。（來(lái)源：Flex Power Modules，部件 PKU4213D）

盡管如此，DC/DC 模塊數(shù)據(jù)表仍可包含熱阻數(shù)據(jù)和功耗曲線，可用于估計(jì)溫升并作為系統(tǒng)級(jí)熱模型的考慮因素。Flex Power Modules最新推出產(chǎn)品的可編輯熱模型也可提供使用，并與西門子（Siemens） 的 Simcenter FlothermTM 軟件兼容。此外，免費(fèi)使用的“Flex Power Designer”軟件還可以提供所選模塊在不同輸入/輸出電壓、輸出電流和溫度條件下的功耗數(shù)據(jù)。

消除未知數(shù)的另一種方法
Flex Power Modules 正在推廣另一種確定 DC/DC 可用功率的替代方法，它是通過(guò)提供與模塊本身限制更密切相關(guān)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果指定了引腳和基板最高溫度，則 通過(guò)Flex Power Modules收集的 DC/DC 內(nèi)部熱阻和物理測(cè)量數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地了解最大可用功率，這樣能夠?qū)τ脩?PCB 結(jié)構(gòu)及其熱阻和氣流特性更加確定。高溫下的損耗變化會(huì)自動(dòng)包含在內(nèi)，因?yàn)橹甘镜淖畲罂捎霉β适峭ㄟ^(guò)增大負(fù)載使關(guān)鍵組件熱區(qū)溫度達(dá)到最大值來(lái)計(jì)算。展示數(shù)據(jù)的最好方式是以三軸圖呈現(xiàn)，如圖 4 所示，其中所用為Flex Power Modules的BMR491。最終用戶可以簡(jiǎn)單地測(cè)量應(yīng)用中引腳和基板溫度，并查看可用的功率多大。這與僅根據(jù)降額曲線提供氣流形成鮮明對(duì)比，降額曲線可能過(guò)于保守，或者冗余不足以將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的結(jié)溫保持在安全范圍內(nèi)。在最壞情況下，即使溫度不會(huì)高到足以觸發(fā)電路保護(hù)，但仍會(huì)超過(guò)推薦值，從而導(dǎo)致可靠性降低和使用壽命縮短。

圖 4：DC/DC 模塊的引腳和基板溫度與可用負(fù)載的 3 軸關(guān)系曲線比簡(jiǎn)單的氣流降額數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。（來(lái)源：Flex Power Modules，BMR491部件）

多種方法組合可提供最佳結(jié)果
為磚式 DC/DC 模塊提供充分冷卻的綜合解決方案可能會(huì)從氣流降額曲線和散熱模擬的近似開始，但這可以通過(guò)最終應(yīng)用中的引腳和基板溫度測(cè)量來(lái)補(bǔ)充。結(jié)合 Flex Power Modules提供的 3 軸曲線，可以精準(zhǔn)確定可用功率，以確保DC/DC 應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳性能，同時(shí)保證最高可靠性。