高效率的DC/DC轉換器技術

2019-11-03 09:57:32

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供稿：網友

引言

　　提高DC/DC轉換器的效率，從而改善熱性能、提高可靠性及降低成本，一直是電源設計人員所追求的。如今，可以安裝在電路板上的DC/DC轉換器供貨商在提高電源產品的效率方面已經取得了重大進展。標準的半磚封裝的電源產品可以提供高達60amps的電流，標準的1/4磚封裝電源產品能夠供應30amps的電流，效率超過90％。　　在性能方面的這個巨大進展之所以能夠實現，是因為出現了高性能的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFETs)，在同步整流器中用它取代普通設計中使用的二極管整流器。由于這個重大變化，與前一代的產品相比，可以把高效率DC/DC轉換器的功率密度增大一倍。

　　雖然這個進展對產業界有著巨大影響，但還有許多其它因素影響電源模塊的可靠性。設計人員在把DC/DC轉換器用到他們的系統中時，有許多問題不能不考慮到，本文旨在討論這些問題。

電源模塊的可靠性

　　現在大多數的仿真與數字集成電路是非常可靠的，大多數設備制造商都使用由相同供貨商提供類似的組件。因此，電源系統是制造商能夠把自已的產品與競爭對手區別的一個地方。消息靈通的設計人員也都知道，現在的高功率密度轉換器的可靠性差別很大，這是因為它的設計很復雜、組件承受過載電壓和過載電流的能力和功耗不同。

　　值得注意的是，雖然高效率協助降低了熱功耗，這并不等于說可靠性也相應地提高。為了確保產品具有最好的性能表現，設備制造商必須明了那些影響電源模塊可靠性的因素，包括：

*系統的工作溫度；

*DC/DC轉換器供貨商為了達到安全工作溫度內部設計規則；

*DC/DC組件的指針，特別是半導體器件的指針；

*系統中的氣流及其在電源模塊上流動的方向；

*電源模塊的輸入電壓及負載的要求；

*系統需要的供電及溫度變化狀況。

　　所有這些因素都影響電源模塊的可靠性。系統設計人員可控制的一個最重要因素是電源模塊的溫度。一個很好的例子是，愛立信所有高功率產品都是設計成可在高外殼或底板的溫度下工作，以滿足對專用應用產品的需求，達到電信及信息技術市場的需要。只要在規定的范圍下操作，愛立信的電源模塊將可與所有在低于其最高溫度工作的組件一起，發揮安全、可靠的功能。

高效率與標準效率電源模塊的優點

　　與標準效率的電源模塊比較，高效率電源模塊為硬件設計人員帶來一系列優點和好處：

有底板與無底板電源模塊的優點

　　高效率電源模塊有兩種，一種是有底板的，一種是沒有底板的。愛立信標準的有底板產品為設計人員帶來以下的優點和好處：

電源模塊的設計規則

　　眾所周知，大多數電子系統的可靠性都受溫度影響。人們通常使用設計規則來比較故障率的數字。根據愛立信的準則，其中一條設計規則顯示組件在65°C以上的環境下工作時，溫度每上升10°C，故障率便增加一倍。這個常用的規則是基于以下的假定：用作比較的產品是用類似的設計和制造原理制作的，而組件是在相近的條件下工作（例如，在指定的外圍環境下，芯片的溫度也相同）。實際上，這個"模塊相似性"的假定很少是對的。一家模塊制造商可能使用溫度接近組件之絕對最高額定值的半導體，而另一家廠商或許會根據保守的內部額定值準則進行設計。不同的設計條件會對模塊的整體性能及可靠性造成影響。

　　根據另一個設計規則，如果組件是在其額定最高結溫(Tjmax)的70-80%下工作，將享有很高的可靠性。請注意，對半導體來說，Tjmax通常保證為+150°C或+175°C。根據這些數字，半導體器件的結溫應該分別維持在低于+120°C和+135°C的水平。按照這個設計規則保持結溫處于較低水平，將可大大地提高整個系統的可靠性。

確定熱性能

　　電源制造商通過內部測試為DC/DC轉換器制定了熱指針，或者降額曲線。這些測試通常是用風洞系統協助進行，以確定在不同對流條件下電源模塊的熱性能。不幸地，每家DC/DC轉換器制造商都是按照自己的內部標準進行測試。而這些標準往往受到個別的工程人員或政策、現有的測試設備、測試費用、市場推廣和銷售要求，以及許多其它因素所影響。這些變量意味著DC/DC轉換器的降額曲線會造成誤導，設備制造商應當考慮到這些內部測試的結果以及所用的方法。以下是可能影響這些個別、非標準測試的部分因素：

降額曲線-它們如何產生的？

　　風洞有多種不同的形狀和尺寸，加上電源模塊可以放置在風洞的不同位置，這些都會影響測試結果。究竟是風洞強迫空氣流過DC/DC轉換器，還是空氣可自由流過模塊的四周呢？愛立信的氣流系統龐大，足以讓氣流在模塊的四周流動，這與漏斗式風洞不同。漏斗式風洞強迫空氣直接吹到模塊上面。由于大多數的應用并不是采用漏斗式或強迫式氣流，因此非漏斗式測試程序將可得到最穩健的結果。

　　氣流的測量也是很重要的。氣流是用風速表測量還是通過計算體積得到的？氣流是在什么位置進行測量的呢？舉例說，愛立信是利用熱線風速表直接測量模塊前的氣流，以保證流量的準確度。

　　氣流是紊流還是層流？紊流會獲得較佳的測試結果。不論是紊流或層流，它們是如何產生和維持的？是否連續不斷的重復？愛立信的氣流系統利用層流，是比較保守穩健的方法。

　　某些“特殊”方向能自然地獲得較佳的性能，而一些電源供應的廣告突出了在這些特殊方向的測量結果。如在其它方向其性能又如何？降額曲線是基于最佳還是最差的方向個案？愛立信的信條一直是要作全方位的考慮。因此，愛立信的降額曲線是根據在最壞的方向進行，確保在任何方向下電源模塊操作都不受影響。

　　究竟曲線是基于典型樣品，還是最佳樣品的測試結果而得到的？是利用了典型還是最佳效率的模塊？愛立信是利用典型的效率模塊進行測試的。

　　測試電路板的尺寸及結構是什么樣的？這些關鍵散熱測試板的尺寸和結構并沒有標準可循。供貨商可輕易地針對得到正面降額曲線的目的而設計出一塊很好的散熱測試板。

　　溫度可以多長時間保持穩定？明顯地，穩定的時間越長，測量的結果越準確。愛立信是經過近一個小時的穩定后對每個數據點進行測量。基于這個方法，測量結果足以保證溫度的穩定性，雖然實際測試的時間會長一些。我們相信，準確性是預備熱降額曲線最重要的一環。為了確保對系統運作及可靠性起著關鍵作用的組件獲得最佳性能，我們建議基于用戶的特殊應用，對模塊的測試進行個別比較。發熱圖像-良好的畫像之外的問題確定熱性能的另一個方法，就是利用發熱圖像，即是使用紅外攝影機來測量溫度。這對于確定正確溫度非常有效，并已獲證明是一個十分有用的工具，以推廣電源產品。但是，用戶必須小心，要深入研究畫像之外，還要詢問有關模塊的方向、氣流的類型、穩定時間有多長等。此外，還要請有關廠商在不同方向進行紅外掃描，并且對色版進行評估，因為色版會經常為增加效果而進行改變。比較熱數據的最佳方法，是將不同的模塊并排起來作紅外掃描(包括不同方向和測試板)。

可靠性對整個系統成本的影響

　　近年，可靠性已獲確認為電源系統設計的一個關鍵。其中，系統可用性和客戶滿意程度更成了大家關注的焦點，只有少數人留意可靠性如何會影響系統制造商的最低成本。在比較DC/DC轉換器的可靠性指針時，首先要明了這些指針是在什么假定和情況下得到的。可靠性與熱性能及工作溫度的關系十分密切。工作溫度每上升10°C，故障率就增大一倍。

　　在典型的系統中，由于受到機柜內其它組件所產生熱量的影響，電源模塊附近空氣的溫度一般在55°C左右。愛立信的電源模塊可靠性指針是按底板溫度為90°C獲得的。因此，對電訊及數據通訊應用產品來說，MTBF（無故障平均時間）的計算是非常有意義的。

小結

　　高效率電源模塊較標準效率電源模塊提供更高的性能表現及成本優勢，對電訊及數據通信行業帶來巨大和積極的影響。但對一個應用設備而言，如何確定哪是最合適的高效率電源模塊？要做出這個決定并不容易，因為不同的

DC/DC

　　產品供貨商都會推銷自己的產品，而有時有關的測試結果又會令人混淆不清。對希望制造高性能/高可靠性/高價值產品的制造商，建議最好把注意力放在影響熱性能和長期可靠性的重要變量上。設備制造商需要的DC/DC電源模塊供貨商必須能夠：在溫度上升時提供最高效率；消耗最少電能/需要最少的散熱；在底板/基板中溫度上升的幅度最少。

摘自《國際電源商情》

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