DC/DC转换器的发热问题分析

DC/DC 电源模块产品说明书首页上特别标注的项目，通常会突出产品在系统中实际上不具备的电气性能，这就向系统设计人员提出了挑战，他们必须对不同厂商生产的模块进行电气/散热性能比较。因为系统设计人员必须确保为其终端设备选用的 DC/DC 电源模块能够在整个温度应用范围内提供所需的电气/散热性能。另外，测算实际系统环境中模块所能输出的最小和最大负载电流将成为确定电源成本和可靠性的最重要因素，因为这将有助于系统设计人员以最低的成本获得所需输出电流的模块。

电源模块的电气/散热性能由其热降额曲线来表示，这种曲线是判定模块整体性能的最佳、最常用的手段。电源模块厂商进行了大量的散热测试以生成不同的热降额曲线，并在产品说明书中列出。图 1 显示了热降额曲线在各种不同的气流速度和环境温度下，模块所能输出的最大电流。这样，就设定了设备的安全工作区 (SOA)——在未超过推荐散热设计限额的情况下实现最大电气输出的工作条件。

图1. 热降额曲线。

热降额曲线上的每一个点均代表相应输出电流和环境条件的交叉点(促使模块中某种组件的温度达到预先设定的限额)。在上述示例中，实际应用中将会需要 30A 的负载电流;环境条件包括 50°C 的环境温度和低至 1.0 米/秒 (200 lfm)的气流速度。在查阅模块的产品说明书后，从 SOA 曲线(图 1)我们可以看出，在上述条件下，最大输出额定电流为 30A 的模块只能持续、可靠的输出 23A 的电流。

根据热降额曲线，系统设计人员可以判定所选用的模块是否能在所需的环境温度下输出需要的电流、是否需要补充额外的气流以及在罩壳中的滤波器出现阻塞、冷却风扇故障的情况下可用的预留容量。而且，根据散热数据，系统设计人员还可以判定是否必须减载运行(使模块在低于其最大输出功率的情况下运行)、增加冷却空气供应量，或在某些情况下，加装散热片。

在实际应用中，许多 DC/DC 电源模块并不能达到其产品说明书首页上列出的输出电流额定值。其中一个原因是电源模块厂商提供的器件说明书本身的问题，另一个原因是电源模块行业对独立和非独立 DC/DC 电源模块没有标准的热降额评定方法。

竞争环境

系统设计人员面临着从多家供应商中选择模块的问题。因此，DC/DC 电源模块业务的竞争相当激烈，其中一个方面就表现在器件说明书方面——这已促使电源厂商以日趋创新的方式来描述其产品性能，以吸引潜在客户的眼球。

然而，令人遗憾的是，当解析厂商的热降额数据时，进行实际的比较就并非如此简单了。首先，系统设计人员应考虑到降额测试细节的不同之处，比如气流和环境温度测量方法和位置、组件允许的最高温度、电路板间距、以及测试设备都会对降额曲线产生重大的影响。由于存在这些不同，所以在未了解不同厂商发布的降额曲线的测量方法之前，就不能轻易对其进行比较。

热降额测量

目前，散热性能测量还没有行业标准，两种传统的方法均采用在风道内进行空气流速测量。这种设置模拟在当今大多数具备分布式电源架构的电子系统中的典型散热环境。而且，在网络、电信、无线和先进的计算机系统中使用的电子设备都在相似的环境中运行，并采用垂直安装的印刷电路板或柜架中的电路卡。

图 2 显示了一种典型的 SOA 受限测试设置方案：将电源模块安装在测试电路板上，并在风道内处于垂直方向。邻近的电路板用于模拟卡架 (card rack) 环境，该电路板迫使空气流向电源模块的上方。而且，两板块的间距通常为模块高度的两倍。另外，这种风道设置采用探测器来测量单点的气流和环境温度。

图2. SOA 受限测试设置方案。

一般而言，在电源模块处于额定输入电压时，对其进行测试。当负载电流在没有负载至最大负载之间变化时，热电偶或热成像摄像头用于测量主要组件的温度，并在若干典型气流值(通常从 0 至 2.5 米/秒)时，进行数据采集。

在风道中，有时采用烟气对气流进行定性说明。如图 3 所示，受限测试设置模式减少了电源模块中丝状烟气的间距，这表明了与在模块前端测量得出的气流比较而言，整个模块中的气流速度已有所提高。而且，面对印刷电路板平行面的气流速度可从 1 米/秒提高至 2 米/秒。另外，采用这种方法的厂商认为，此种方法能模拟相应的卡架环境。

图3. 气流穿过 SOA 受限测试设置时的情形[1]。

SOA 未受限测试设置的情形如图 4 所示，此时，电源模块焊接于风道内的测试电路板上。这种设置没有面对印刷电路板的平行面。

图4. SOA 未受限测试设置方案。

SOA 未受限测试设置方案允许空气在模块上方流动而无需限制气流速度，