将底板冷却转换器模块纳入您的系统设计

XP Power技术总监Gary Bocock

在设计户外使用的坚固耐用设备时，使其可靠的最佳方法是将其与任何外部环境条件完全密封。然而，虽然这是一个谨慎的步骤，但采用这种方法确实会带来一些设计挑战，其中之一就是如何提供电源能力，尤其是在需要相对较高功率水平的情况下。大多数大功率电源使用强制风冷来消散产生的热量，这种方法在完全密封的产品中是不实用的。因此，使用底板冷却的电源转换器模块--也被称为 “砖块”，它们安装在冷墙或产品外壳上，并使用传导冷却，已经变得非常流行。

作为组件级电源模块，而不是一个即插即用的解决方案，砖块为户外设备和系统制造商提供了一种低风险的开发方法，通过使用一系列经过验证的、可靠的和现成的电源模块，加快了产品的上市时间，这些模块可用于为终端应用创建一个定制的电源解决方案。‘

产品可用于AC和DC输入应用。AC输入产品可以是完整的AC-DC解决方案，也可以是用于驱动高输入电压DC-DC砖块的PFC模块。除少数例外，AC输入产品需要增加外部高压电解电容器。DC输入产品覆盖了广泛的额定电池电压、车辆电源和更高电压应用，至450VDC左右，以满足PFC模块或整流电源电压、高压电池解决方案和可再生能源应用的需要。

已经发展出一套行业标准尺寸，称为四分之一砖、半砖和全砖，在行业标准的2:1输入全砖封装中可以找到高达700W的额定功率。实现更宽的4:1、8:1甚至12:1的输入范围，以实现系统设计的标准化，覆盖广泛的潜在额定输入电压范围，降低了砖块的功率密度。

底板冷却转换器的设计需要一些额外的设计考虑，特别是温度管理和电磁兼容性（EMC）。

温度管理

砖块内的所有功率耗散元件都与底板热粘合，包括功率晶体管、整流器、变压器和电感。模块底板的温度管理至关重要，它的温度需要维持在终端应用所要求的最坏情况下的最大工作极限以下。冷却方案的热阻特性必须与负载或终端设备所需的功率和模块的效率相匹配，后者决定了砖式转换器的耗散功率，以及设备预期工作的最高温度。

模块在最坏情况下负载条件下的运行效率规格决定了耗散的功率。这需要对模块在所有可能的输入电压范围和实际负载条件下的效率进行仔细分析，而不是单纯地根据模块的标称效率来计算。见图1。该图说明了模块的效率如何随输入电压和负载变化。

图1：效率随输入电压和负载变化的例子

确定耗散功率的计算方法如下图2所示。

图2：计算作为热量散失的废功率

在确定了废热/功率之后，下面的简单模块确定了运行所需的热阻，ΔT定义为设备的最高工作温度与电源砖块的最高底板温度之差。当使用导热垫或导热油时，从机箱到散热片的热阻通常为0.1？6？2C/W。

图3：电源砖块和散热片热模块

在对流冷却的应用中，散热片的物理尺寸远远大于使用强制风冷或液体冷却的类似解决方案。如果一个以上的底板冷却模块安装在一个共同的散热片、冷墙或外部外壳上，则所需的总体热阻由所有砖块在最坏情况下的耗散功率之和决定。

电磁兼容性

底板冷却转换器电源系统设计的另一个关键方面是电磁兼容性，包括防止尖峰和浪涌，以及控制电气噪声排放。最终应用的敏感性要求决定了浪涌和尖峰抑制的程度和复杂性，从简单的无源元件到瞬态电压抑制器（TVS）、气体放电管（GDT），甚至是某些车辆和铁路应用中所要求的主动夹钳设计。特定应用的EMC模块可用于国防和铁路应用，为这些要求严格的应用提供低风险的成熟解决方案。基于电源模块的电源解决方案还需要适当的熔断器或断路器保护，以确保安全，通常还需要一些局部电容以降低源阻抗。

电源模块数据表和应用说明规定了所需元件的值。然而，这要由电源系统设计工程师来执行，遵循良好的设计实践，以满足任何爬电和间隙要求，并最大限度地减少寄生电感，以符合EMC要求。

图4：DC输入系统示意图

参照图4，保险丝FS1提供短路输入故障保护。 反极性保护由二极管D1提供。 L1、C1、C2以pi型滤波器排列连接，以降低功率开关级内电流快速变化引起的差动噪声。L2、C4和C5组成共模滤波器，以减轻电源转换器内电压快速变化所产生的噪声。电容器C3为电源转换器的开关电流需求提出了一个低阻抗源，TVS1是一个双向瞬态浪涌抑制器，以防止尖峰和浪涌。C6和C7可降低输出端的共模噪声，但对于要求使用低噪声电源的应用，可能需要在输出端增加一个差分滤波器。

在设计电源系统布局时，为了保持回路的短小，去耦电容C4、C5、C6、C7应尽量靠近连接引脚和机箱与底板的连接。TVS1、瞬态电压抑制器和横跨输入端的电解电容C3应尽量靠近输入引脚。 应避免电源模块下方的PCB轨道。

如果在转换器前使用PFC模块，还需要一个高压电解散装电容器C6，通常额定电压为450VDC。终端系统所需的保持或穿越决定了电容器的值。

图5：AC输入系统示意图

有的组合式单砖PFC和DC/DC模块，散装电容器提供外部连接。对AC输入系统的要求是，在设计阶段必须遵守相关安全标准规定的线路、神经、接地和输入到低压输出之间的爬电和间隙距离。

任何额外的组件也需要包括在温度管理设计中，以确保它们保持在其温度和安全限度内。温度会影响电解电容器的寿命，只要降低10摄氏度，使用寿命就会翻倍，因此选择元件设计寿命、温度等级和冷却安排对维持终端设备的预期使用寿命至关重要。使用导热垫和使热敏感元件远离高温部件有助于保持整体系统的可靠性。

使用底板对流冷却电源转换模块是严苛环境中密封设备的理想方案，也是许多运输系统、国防应用和桅杆头安装网络设备的常用方案。