克服DC/DC轉換器功率降額規範的挑戰

作者 : Oscar Persson,Flex Power Modules專業研發工程師

當今的電子系統正將更多的功能整合到更小尺寸中,但功能增多使得功耗隨之增加。為了因應這一趨勢,提供系統電壓軌的DC/DC轉換器必須以更小的封裝實現更高的功率,即具有更高的「功率密度」...

當今的電子系統正將更多的功能整合到更小尺寸中,但功能增多使得功耗隨之增加。為了因應這一趨勢,提供系統電壓軌的DC/DC轉換器必須以更小的封裝實現更高的功率,即具有更高的「功率密度」。雖然目前的轉換器設計可能具有非常高效率,但仍必須消散巨大熱量,才能將關鍵元件保持在其最高額定溫度以下。

由於業界通常使用「磚」式轉換器,在沒有附加散熱器和強制通風的情況下,這些元件會隨著本地環境溫度升高而出現嚴重降額(de-rating),並且通常只能在攝氏20度左右提供全功率,這在具有kW級本地負載的伺服器機架等應用中外殼內部是不切實際的溫度要求。為了在50℃或更高的典型局部環境下實現運行,必須使用強制空氣或傳導冷卻,這種情況下,轉換器的熱特性、氣流的影響以及其他到周圍環境的散熱路徑就變得更加重要。

必須對DC-DC環境做出假設

在考慮DC/DC轉換器上氣流和其他散熱路徑的有效性時,存在許多變數,其中包括:

  • 本地環境溫度
  • 氣流速度
  • 氣流方向
  • 轉換器的方向
  • 印刷電路板(PCB)的尺寸
  • PCB內導電層的數量和厚度
  • PCB的佈局
  • PCB上的其他組件功耗
  • 其他元件的氣流「陰影」(shadowing of airflow)
  • 氣流湍流

由於轉換器製造商無法預測終端系統中大多數的這些因素及其影響程度,因此只能透過特定的測試設置(例如Flex Power Modules使用的1所示設置)對其元件的特性進行假設。這種測試可產生降額曲線,如2所示。PKU4213D是一款12V、15/17A輸出、隔離式轉換器,具有36~75V輸入。

圖1:表徵DC-DC轉換器溫度降額特性的測試設置。(圖片來源:Flex Power Modules)

進行測試的目的是要使用特定區域的測試電路板,使其成為可再現的代表性案例,該指定區域具有指定數量和厚度的銅層,具體取決於被評估的轉換器功率水準。圖中所示的「對向」板對於嘗試更接近地再現真實機架環境,以及如何影響靠近電源模組的氣流方向和湍流都非常重要。

為了快速獲得結果,測量是在本地環境溫度下進行,通常比室內溫度高幾度,然後監控轉換器上指定關鍵元件的熱區溫度,以及靠近測試板的特定氣流。在選定氣流速率、標稱輸入電壓和負載電流下,測量熱區和本地環境溫度之間的差異以給出溫升,然後將其外推為在溫度超過關鍵元件要求之前給出的最高本地環境溫度,從而得到器件降額特性曲線。

圖2:圖1測試設置產生的降額曲線。(圖片來源:Flex Power Modules元件PKU4213D,開放式架構佈局)

氣流降額的未知數

上述討論的佈置和測量允許在不同DC/DC轉換器之間進行一些比較。儘管並非所有製造商都使用相同的測試設置,但對於終端客戶的環境總是不同的,因此它只能作為從DC/DC轉換器獲得評估功率的起始點。在從溫升限值推斷該功率時,需假定在較高環境下效率保持不變。然而,情況並非如此,由於半導體開關電壓降變化、導體電阻增加和磁芯損耗增大,所有這些都會降低效率。額外的功率損耗本身也會導致更高溫度,因此其效果是不斷累積增大。MOSFET等元件的導通電阻和傳導損耗會隨著溫度的升高而顯著增加,而二極體則隨著溫度升高而下降較少。這意味著DC/DC元件的熱「足跡」或梯度會隨溫度升高呈非線性變化。

在更高的負載電流下,不僅效率通常會因為元件和銅損而惡化,而且熱阻也會發生變化。一個重要的散熱路徑是透過DC/DC模組接腳到達電路板,尤其是開放式架構元件。例如,透過這些接腳電阻的高負載電流使它們成為熱量產生器,有效地增大了從DC/DC轉換器到電路板對熱流的熱阻。當然,終端使用者的電路板會需要更高的電流並消耗更多的功率,從而升高局部溫度,以及從DC/DC模組到周圍環境的熱阻。由於這些原因,每個元件熱阻的特定值只能是近似值。

另一個變數是DC/DC轉換器是否安裝了基板。透過強制風冷,一般可選擇使用「開放式架構」元件,或配備基板的元件。雖然可能沒有傳導冷卻,但基板具有散熱作用,並能夠提供一個平坦的表面來散熱,因此它的效果有益於散熱。例如,Flex Power Modules的資料表明,在高負載和高氣流速度下,安裝基板與未安裝基板相比,PKU4213D產品熱區最多可降低15℃左右(3)。

3:帶有基板的磚式轉換器顯示熱區溫度顯著降低。(來源:Flex Power Modules,元件PKU4213D)

儘管如此,DC/DC模組資料表仍可包含熱阻資料和功耗曲線,可用於估計溫升並作為系統級熱模型的考慮因素。Flex Power Modules最新推出產品的可編輯熱模型也可提供使用,並與西門子(Siemens)的Simcenter Flotherm軟體相容。此外,免費使用的Flex Power Designer軟體還可以提供所選模組在不同輸入/輸出電壓、輸出電流和溫度條件下的功耗資料。

消除未知數的另一種方法

Flex Power Modules正在推廣另一種確定DC/DC可用功率的替代方法,它是透過提供與模組本身限制更密切相關的資料實現。在實際應用中,如果指定了接腳和基板最高溫度,則透過Flex Power Modules收集的DC/DC內部熱阻和物理測量資料可以更準確地瞭解最大可用功率,這樣能夠對使用者PCB結構及其熱阻和氣流特性更加確定。高溫下的損耗變化會自動包含在內,因為指示的最大可用功率是透過增大負載使關鍵元件熱區溫度達到最大值來計算。展示資料的最好方式是以三軸圖呈現,如4所示,其中所用為Flex Power Modules的BMR491。終端用戶可以簡單地測量應用中接腳和基板溫度,並查看可用的功率多大。這與僅根據降額曲線提供氣流形成鮮明對比,降額曲線可能過於保守,或者冗餘不足以將DC/DC轉換器中的接面溫度保持在安全範圍內。在最壞情況下,即使溫度不會高到足以觸發電路保護,但仍會超過推薦值,從而導致可靠性降低和使用壽命縮短。

4DC/DC模組的接腳和基板溫度與可用負載的3軸關係曲線比簡單的氣流降額數據更準確。(圖片來源:Flex Power ModulesBMR491元件)

多種方法組合可提供最佳結果

為磚式DC/DC模組提供充分冷卻的綜合解決方案可能會從氣流降額曲線和散熱類比的近似開始,但這可以透過最終應用中的接腳和基板溫度測量來補充。結合Flex Power Modules提供的3軸曲線,可以精準確定可用功率,以確保DC/DC應用中實現最佳性能,同時保證最高可靠性。

本文原刊登於EDN China網站

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