DC／DC转换器功率降额规范中的挑战和替代方法
作者：Flex Power Modules专业研发工程师Oscar Persson
当今电子系统正在将更多的功能集成到更小尺寸中，但功能增多使功耗也会增加。因此，为了应对这一趋势，提供系统电压轨的 DC/DC 转换器必须以更小的封装实现更高的功率，即具有更高的“功率密度”。虽然目前的转换器设计可以具有非常高效率，但仍必须消散巨大热量以将关键组件保持在其最高额定温度以下。由于业界通常使用“砖”式转换器，在没有附加散热器和强制通风的情况下，这些部件会随着本地环境温度升高而出现严重降额，并且通常只能在 20 摄氏度左右提供全功率，这在具有 kW 级本地负载的服务器机架等应用中外壳内部是不切实际的温度要求。为了在 50℃或更高的典型局部环境下实现运行，必须使用强制空气或传导冷却，这种情况下，转换器的热特性、气流的影响以及其他到周围环境的散热路径就变得更加重要。
必须对 DC-DC 环境做出假设
在考虑 DC/DC 转换器上气流和其他散热路径的有效性时，存在许多变量，其中包括：
· 本地环境温度
· 气流速度
· 气流方向
· 转换器的方向
· 印刷电路板 (PCB) 的尺寸
· PCB 内导电层的数量和厚度
· PCB的布局
· PCB上的其他组件功耗
· 其他组件的气流“阴影”（Shadowing’of airflow）
· 气流湍流
由于转换器制造商无法预测终端系统中这些因素中的大多数及其影响程度，因此他们只能通过特定的测试设置（例如 Flex Power Modules 使用的图 1 所示设置）对其部件的特性进行假设。这种测试可生成降额曲线，如图 2 所示。PKU4213D 是一款 12V、15/17A 输出、隔离式转换器，具有 36～75V 输入。
图 1：表征 DC-DC 转换器温度降额特性的测试设置。（来源：Flex Power Modules ）
进行测试的目的是要使用特定区域的测试电路板，使其成为可再现的代表性案例，该指定区域具有指定数量和厚度的铜层，具体取决于被评估的转换器功率水平。图中所示的“对向”板对于尝试更接近地再现真实机架环境，以及如何影响靠近电源模块的气流方向和湍流都非常重要。为了快速获得结果，测量是在本地环境温度下进行，通常比室内温度高几度，然后监控转换器上指定关键组件的热区温度，以及靠近测试板的特定气流。在选定气流速率、标称输入电压和负载电流下，测量热区和本地环境温度之间的差异以给出温升，然后将其外推为在温度超过关键组件要求之前给出的最高本地环境温度，从而得到器件降额特性曲线。
图 2：图 1 测试设置生成的降额曲线。（来源：Flex Power Modules部件 PKU4213D，开放式框架布置）
气流降额的一些未知数
上述讨论的布置和测量允许在不同 DC/DC 转换器之间进行一些比较。尽管并非所有制造商都使用相同的测试设置，但对于最终客户的环境总是不同的，因此它只能作为从 DC/DC 转换器获得评估功率的起始点。在从温升限值推断该功率时，需假定在较高环境下效率保持不变。然而，情况并非如此，由于半导体开关电压降变化、导体电阻增加和磁芯损耗增大，所有这些都会降低效率。额外的功率损耗本身也会导致更高温度，因此其效果是不断累积增大。MOSFET等组件的导通电阻和传导损耗会随着温度的升高而显著增加，而二极管则随着温度升高而下降较少。这意味着 DC/DC 组件的热“足迹”或梯度会随温度升高呈非线性变化。
在更高的负载电流下，不仅效率通常会因为元件和铜损而恶化，而且热阻也会发生变化。一个重要的散热路径是通过 DC/DC 模块引脚到达电路板，尤其是开放式框架部件。例如，通过这些引脚电阻的高负载电流使它们成为热量发生器，有效地增大了从 DC/DC 转换器到电路板对热流的热阻。当然，最终用户的电路板会需要更高的电流并消耗更多的功率，从而升高局部温度，以及从 DC/DC 模块到周围环境的热阻。由于这些原因，每个元件热阻的特定值只能是近似值。
另一个变数是 DC/DC 转换器是否安装了基板。通过强制风冷，一般可选择使用“开放式框架”部件，或配备基板的部件。虽然可能没有传导冷却，但基板具有散热作用，并能够提供一个平坦的表面来散热，因此它的效果是有益于散热。例如，Flex Power Modules 的数据表明，在高负载和高气流速度下，安装基板与未安装基板相比，PKU4213D 产品热区最多可降低 15℃ 左右（图 3）。
图 3：带有基板的砖式转换器显示热区温度显著降低。（来源：Flex Power Modules，部件 PKU4213D）
尽管如此，DC/DC 模块数据表仍可包含热阻数据和功耗曲线，可用于估计温升并作为系统级热模型的考虑因素。Flex Power Modules最新推出产品的可编辑热模型也可提供使用，并与西门子（Siemens） 的 Simcenter FlothermTM 软件兼容。此外，免费使用的“Flex Power Designer”软件还可以提供所选模块在不同输入/输出电压、输出电流和温度条件下的功耗数据。
消除未知数的另一种方法
Flex Power Modules 正在推广另一种确定 DC/DC 可用功率的替代方法，它是通过提供与模块本身限制更密切相关的数据实现。在实际应用中，如果指定了引脚和基板最高温度，则 通过Flex Power Modules收集的 DC/DC 内部热阻和物理测量数据可以更准确地了解最大可用功率，这样能够对用户 PCB 结构及其热阻和气流特性更加确定。高温下的损耗变化会自动包含在内，因为指示的最大可用功率是通过增大负载使关键组件热区温度达到最大值来计算。展示数据的最好方式是以三轴图呈现，如图 4 所示，其中所用为Flex Power Modules的BMR491。最终用户可以简单地测量应用中引脚和基板温度，并查看可用的功率多大。这与仅根据降额曲线提供气流形成鲜明对比，降额曲线可能过于保守，或者冗余不足以将 DC/DC 转换器中的结温保持在安全范围内。在最坏情况下，即使温度不会高到足以触发电路保护，但仍会超过推荐值，从而导致可靠性降低和使用寿命缩短。
图 4：DC/DC 模块的引脚和基板温度与可用负载的 3 轴关系曲线比简单的气流降额数据更准确。（来源：Flex Power Modules，BMR491部件）
多种方法组合可提供最佳结果
为砖式 DC/DC 模块提供充分冷却的综合解决方案可能会从气流降额曲线和散热模拟的近似开始，但这可以通过最终应用中的引脚和基板温度测量来补充。结合 Flex Power Modules提供的 3 轴曲线，可以精准确定可用功率，以确保DC/DC 应用中实现最佳性能，同时保证最高可靠性。
参考文献
[1] Flex design note 019 – ‘Flex power Modules 的散热特性’。
