求解每个热源功率损耗的新方法

一  引言

　　DC-DC转换器的效率和功率损耗是许多电子系统的一个重要特征参数。可以测量出这些特征参数，并用下面的直观方式进行表达：

　　效率 = 输出功率 / 输入功率         （1）

　　功率损耗 = 输入功率-输出功率   （2）

　　但是对于每个元器件做为一个单独热源在损耗中所占的比重，这样的结果没有提供任何信息。而我们的方法学能让设计者更好地选择针对其应用的最佳DC-DC实现方案。

二  降压转换器的实例

　　降压转换器中的主要热源是高边MOSFET、低边MOSFET和电感器。如果我们使用电工学方法来判定高边MOSFET的功率损耗，那么就必须测量漏极电流、漏源电压、栅极电流和栅源电压。不幸的是，如果不在电流路径中引入额外的电感和干扰电路的正常工作，要在高频DC-DC转换器中测得这些数据是非常困难的。但借助热成像摄像机，我们研究出一种求解每个热源功率损耗的新方法，而且不会影响电路的工作。

三  新方法的基本原理

　　在一个电路中，将电能转换为热能的元器件是热源。能量转换成热会增加热源器件的和周围环境的温度。转变成热的能量就是元器件的功率损耗。整个温升（？T）取决于功率损耗（P）和环境。对于一个在固定测试台上的某块PCB板，？T是功率损耗的唯一函数。因此，如果我们测量出？T，就可以推导计算每个热源功率损耗的方法。

　    测量高频DC-DC转换器功率损耗的新方法使用了直流功率测试，和一个热成像摄像机来测量PCB板上每个热源的表面温度。用新方法测得的功率损耗与用电工学方法测得的结果十分接近。新方法可以很容易地区分出象MOSFET这样的主热源，和象PCB印制线及电容器的ESR这样的次热源的功率损耗。

四  基本原理的推导

　　为简单起见，假设在PCB板上有两个热源（HS1和HS2）。HS1工作时不但使其自身的表面温度会升高，也会提高HS2的表面温度，对HS2来说也是如此。因此，每个热源的最终？T可以用下面的等式来表示。

　　Sij （i, j = 1,2）是热敏感度系数，与热阻的度数相同

　　Pi是每个热源的功率损耗

　　等式（3）也可以扩展到N个热源的情况。在这种情况下，每个热源的温升可以由下式给出。

　　S是一个N x N的矩阵

　　如果我们知道S的数值，就可以由下式得到每个热源的功率损耗。

　　假设Sij与温度或电路的工作状态无关，那么就可以由等式6确定每个Sij。

　　这里，DTi是第i个热源的温升，Pj是第j个热源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。

　每次我们都使用简单的直流技术给一个热源供电，这样就可以以非侵入式方式测量热敏感度的系数。我们对被测器件（IC，MOSFET和电感器）施加直流电压和电流，迫使器件开始消耗能量，然后测出Pj。然后我们使用热成像摄像机测量表面温度的？Ti，接着就可以用上面的等式（6）计算出Sij。

　　我们使用了新的方法学计算两个降压拓扑的主热源：一个使用SiC739D8 DrMOS IC的集成式功率级，和一个使用两个MOSFET的分立式功率级，在分立式功率级中，Si7382DP在高边，Si7192DP在低边。

　　A.集成式降压转换器

图1

　　图1显示了用于集成式降压转换器的EVB前端。这里有4个热源：电感器（HS1），驱动IC（HS2），高边MOSFET（HS3）和低边MOSFET（HS4）。SiC739 DrMOS是一个单芯片解决方案，其内部包含的HS2、HS3和HS4靠得非常近。由于这里有4个热源，因此S是一个4x4矩阵。

　　图2显示了当低边MOSFET的体二极管是前向偏置时（AR0x Avg. => HSx），4个热源的温度。

　　如果 TA 为 23.3 ?C，那么，

（8）

　　测得的电流I4和电压V4分别是2.14A和0.6589V。

　　P4 = I4?V4 = 1.41W    （8）

　　使用公式（7）中的温度信息，我们可以得到Si4，（i=1，2，3，4）

　　S14 = 5.82            （9）

　　S24 = 9.29

　　S34 = 9.5

　　S44 = 16.2

    重复上述过程，可以得到如下的S矩阵。

然后解出S^-1,

　　试验结果：集成式降压转换器

　　现在我们可以给SiC739 EVB上电，并使用等式（5）和（11）来计算每个热源的功率损耗。

　　P1 = 0.224W, 电感器           （12）

　　P2 = 0.431W, 驱动 IC

　　P3 = 0.771W, 高边MOSFET

　　P4 = 0.512W, 低边 MOSFET

　根据测试结果和等式 （2）：

　　P1 + P3 + P4 = 1.538W

　　新方法给出的结果是：

　　P1 + P3 + P4 = 1.507W         （13）

　　热学方法和电工学方法之间的结果差异是由小热源造成的，如PCB印制线和电容器的ESR。

　　分立式降压转换器

使用上述步骤和图3，我们获得了分立式方案的S矩阵，不过没有考虑驱动IC的功率。

　　

　　

 

 

(16)

 

　　

　　

 

 

(17)

 

　　

　　使用上面图4提供的信息，我们可以得到在Vin = 12V, Vo =1.3V, Io = 8A, Fs = 1MHz条件下的功率损耗。

　　P₁ = 0.228W, 电感器

　　P₂ = 0.996W, 高边 MOSFET

　　P₃ = 0.789W, 低边 MOSFET

　　比较等式（18）和等式（22），我们发现，由于两个电路使用相同的电感器，两个电路具有同样的电感器损耗，这个结果和我们预想的一样。尽管分立方案中低边和高边MOSFET的rDS（on）比集成式方案MOSFET的rDS（on）分别小23％和28％，集成式降压解决方案的损耗仍然比分立式降压方案的损耗要低。

　　我们可以认定，集成式方案的频率更低，而频率则与功率损耗相关。

五  总结和结论

　试验结果表明，由于在低频下工作时的损耗小，高频集成式DC-DC转换器的整体功率损耗比分立式DC-DC转换器要低。