DC／DC电源模块的温度的关系测试解析

DC/DC电源模块电源结构包括：脉宽调制器(控制转换效率)、光电耦合器(输入与输出隔离，避免前后级干扰，并传递取样信息给PWM，保持输出电压的稳定)、VDMOS(功率转换部件，利用其良好的开关特性提高转换效率)和肖特基二极管(整流以及滤波，这些是功率输出的主要部件)。

我们了解到，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%，温升为50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。为了摸清电源模块电学参数随温度变化的情况，首先对电源模块整体进行加热，测试其输入电流、输出电流、输出电压(Vout)电学参数，试验条件：

保持输入电压28V，输出负载15Ω，输出电流1A;测试输入电流与输出电压随温度的变化。

发现横块的输出电压有较明显的下降，输入电流，输出电流的变化趋势不是很明显，-其变化趋势是伴随着温度的升高，电源模块的电压逐渐减小，而且趋势非常明显，从图1中可见，加热温度在50℃，Vout为14.98 V;温度为142℃时，Vout降为14.90 V。此外，因为模块的效率是其性能的重要指标，当效率下降到一定数值，模块也会因为产生热量过多而失效。为此计算了该试验条件下模块效率随温度的变化，从图2可见模块的效率，随着温度的升高，变化趋势更加明显，开始较为缓慢，随着温度的升高而逐渐加快，呈现玻尔兹曼指数分布。在测试中发现当温度升到150℃，模块输出电压为零。

图1：电源模块Vout与温度T的关系

图2：电源模块效率与温度的关系为了寻找导致电源模块的输出电压随温度升高而明显下降的主要元器件，根据模块的电路，选择相应的元件搭建电路，该电路经过测试可以完成模块的所有功能，同时因为非集成化，可以对其元件单独测试，避免了集成元件因尺寸太小而难以测试的条件。

下面对电源模块中的重要的元件单独加热，测试其电参数随温度的变化，同时测试电路Vout的变化。

元件温度性能对模块温度特性的影响

变压器

变压器在中不仅能传递能量，同时还起到了电气隔离的作用，变压器的原边与副边线圈匝数比的不同可以达到升压或降压的作用。在模块工作状态下，由于磁芯的涡流效应，变压器会产生很多的热量，成为模块热量产生的主要来源。

实验中首先测试了变压器原边和副边线圈的电感量随温度的变化，如图3所示，从图3中可见随着温度的升高，线圈的电感量先增加，然后小幅下降，再小幅上升，在环境温度为220℃以前，变压器的原边与副本电感量的整体趋势是逐渐增加，当温度达到220℃，磁芯温度达到居壁点，线圈的电感量迅速降为零。对于不同磁芯材料的变压器其居里点温度有所不同，对于此类变压器，可知居里温度在220℃附近。当变压器温度接近居里点时，变压器电感量会迅速减小，会导致输出电压迅速下降。

图3：变压器电感量与温度的关系

实验中还测试了电路中的输入输出的其他电感元件的电感量随温度的变化。在整个加热阶段，其他元件的电感量随温度变化很小，与变压器电感量变化相比可以忽略。而且在变压器电感量下降的阶段，其他电感元件的电感量变化仍然较小。

为了校正环境温度与模块因自生热升高的温度，选择一模块，将模块外壳穿孔，并将感温线放到变压器的圆孔内部，测试变压器的温度，通过对测试数据处理，得到变压器温度与环境温度的关系函数：y=1.18x+13。可见变压器的温度远高于电源模块的工作温度。当环境温度为150℃，感温线测试的结果约190℃，由于感温线测试点是变压器圆孔内部的空气，不是变压器的磁芯温度，因此感温线的测量结果比实际的变压器的温度要低很多，由此可以判断变压器的磁芯温度将接近居里点，因此当模块的环境温度超过150℃时，模块中变压器的温度将达到变压器磁芯的居里点温度，此时模块的输出电压几乎为零。

脉宽调制解调器(PWM)

PWM的主要功能是根据输出反馈，调节脉冲波形的占空比，并驱动功率器件，从而得到稳定的直流输出电压。

在该型号电源模块中，PWM-SG3524的功能是提供两路方波信号给三极管和VDMOS，并根据方波信号的宽度控制VDMOS的导通与关断时间。在此试中，对电路工作状态的PWM-SG3524单独加温，并测试输出方波信号与温度的关系，测得波形没有明显变化;在加温的同时对模块的输入、输出电流电压进行记录，发现随着PWM所在环境温度的升高输入电流与输入电压变化都很小;输出电压与输出电流变化也很小，加热PWM导致电参数变化与模块整体加热电参数相比可以忽略。证明PWM-SG3524对模块的温度特性影响较小。

VDMOS

VDMOS(垂直双扩散场效应晶体管)在模块电路中作为开关器件，在感性负载下工作，承受高尖峰电压和大电流，具有较高的开关损耗和温升，其开关频率可高