在模块化电源转换器设计中热降额曲线的重要性介绍

为其系统使用模块化电源转换器的设计人员了解热降额曲线对其设计成功的重要性。营销人员没有冒犯，但数据表首页上的项目符号功能，例如那些声称“高达50 A输出电流”的功能，很好地表明了功率转换器的一般功能，但可能会导致设计人员陷入困境。如果用于与其他制造商的数据表进行比较，选择可在其设计中工作的转换器，则会出现无法返回的黑暗路径。数据表首页规格可能因制造商而异 - 仔细查看并了解制定规格和声明的条件。深入挖掘！

数据表

使用数据表，第一个要求是了解模块在整个工作温度范围内的电气和热性能，更重要的是，确切了解制造商如何进行测试以获得保证数据表中列出的最小和最大规格。

必须确定系统要求的最小和最大负载电流，以及模块能够在整个环境工作温度范围内提供的舒适余量。这将有助于保证最终系统的可靠性和成本。¹（项目经理或老板的两个主要事项是最优先考虑的事项）。

如果环境温度降低，则会产生更多的热损耗，从而增加输出电流。通过增加空气流速，通过对流的热损失增加，并且设计者可以再次增加输出电流。功率模块内部限流装置最终将输出电流限制在某个最大值.2

热降额曲线

绘制的环境温度与负载电流之间的关系让位于所谓的热降额曲线。该曲线应始终伴随空气流量和指定的标称输入和输出电压（见图1）。

图1：典型的电源模块热降额曲线，指定了气流和输入/输出电压。

此曲线现在确定在各种空气流速，输入和输出电压以及环境温度下确定的设备的安全操作区域（SOA）。这些是内部组件处于或低于制造商最高工作温度的条件。

热测试标准和测量

制造商通常从测试方法中获得热降额曲线，在他们的测试设施中进行。由于目前没有行业标准，这些方法可以而且会有所不同，但最常见的方法是使用放置测试板的风洞，其中包含焊接到位的被测器件（DUT）。热电偶（见图2）或热成像摄像机（见图3）用于查看各种输入和输出电压，负载电流，气流和方向，模块方向以及相邻印刷电路板的气流阻塞和/或DUT组件。

图2：热电偶附件选项。 （由Lineage Power提供。）

图3：从功率模块上的热测量获得的热红外图像的示例。 （由Lineage Power提供。）

设计师考虑使用哪个制造商的电源模块必须确定该制造商是否使用了热像仪或热电偶温度测量标准。如果使用热电偶，必须确定测量是在DUT或PC板上的单个位置或外部元件“热点”进行的。通常FET外壳或接头，控制IC或磁性是最热的如果使用热电偶，应直接测量元件。请注意，在低质量组件上使用热电偶时，热电偶本身的金属结构会将一些热量从其接触的部件传递出去，因此会对精确的热分布造成一些误差。必须在测试标准中进行“从苹果到苹果”的比较，以便在系统中使用哪个电源模块进行有根据的选择。

另一个需要考虑的重要因素是SOA测试设置是否“受限制”。这意味着在测试中使用相邻的PC板来模拟卡架环境。当在电路板之间引导时，该取向迫使电源模块上方的空气。平行的PC板可以将空气流量从1米/秒增加到2米/秒（见图4）。

图4：台式风洞示例（由Lineage power提供）

在无限制的SOA测试设置中，没有面向并行的印刷电路板。空气在模块上移动而不限制气流。与限制情况相比，这种情况下的空气速度降低。

Lineage Power提供了一些关于热降额的最佳数据表和一个很好的应用说明。例如，采用Austin Microlynx II SMT非隔离板安装电源模块。

验证系统性能和可靠性时需要考虑的其他重要细节

必须在最终系统中进行热测试，电源模块将驻留在最终系统中。诸如PC板布局和功率模块的位置，铜层数和用于将热量从模块热传导的铜的厚度，气流阻塞和湍流等变量（注意：由于较低的高度，冷却效率在较高的海拔处降低空气分子密度），产生热量的相邻组件，卡架中的PC板间距（如果使用）以及可能的故障模式。

不得超过半导体和磁性元件的最高工作温度，因此需要在最恶劣的环境和空气流动条件下进行充分的测试。如果在最大结温或接近最高结温下工作，FET特别容易发生劣化（请注意，某些制造商可能会将某些元件的工作温度设置得更接近绝对最大额定值 - 这会对可靠性产生不利影响）。必须仔细检查平均故障间隔时间（MTBF）的系统规范，并且不会因上述潜在问题区域而降级（见图5）。

图5：MTBF可以计算为系统故障之间的算术平均（平均）时间。

电源模块效率

电源模块的效率会极大地影响模块内的散热。效率的小幅提高可以使散热量减少十倍。

多个模块的当前共享

例如，德州仪器（TI）在具有电流共享的双模块的情况下，在热降额方面做得非常出色，如PTH08T250W系列数据表所示。