高功率降壓轉(zhuǎn)換的散熱評估測試原理概述

自動駕駛是所有汽車 OEM 在這個時代面臨的新一波重要趨勢，車輛內(nèi)的電子控制單元（ECU）數(shù)量急劇增加。其中涵蓋了諸多應(yīng)用，例如駕駛輔助攝像頭、數(shù)據(jù)融合 ECU 以及它們各自的功耗管理。根據(jù)應(yīng)用和操作范圍，預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出功率范圍不等，小至停車輔助 ECU 的幾瓦特，大至數(shù)據(jù)融合 ECU 的上百瓦特。本系列文章將傳達(dá)使用散熱片降低電子器件熱應(yīng)力的潛在意義，以及系統(tǒng)熱性能與各種因素（例如散熱片的位置和尺寸）的相關(guān)性。

本文為第一部分，將首先描述用于執(zhí)行測量的設(shè)置、測試板的簡要概述以及用于實驗的各種散熱片。測試結(jié)果將在后續(xù)的文章中介紹并總結(jié)在設(shè)計高輸出功率預(yù)調(diào)節(jié)器時使用散熱片的效果。

設(shè)置

圖 1 描述了用于測試板熱評估的設(shè)置，包括以下儀器

●  電源 Toellner TOE8872

●  電子負(fù)載 Prodigit 3311C

●  功率分析儀 Fluke Norma 5000

●  Keysight 多通道數(shù)據(jù)記錄器 34970A

●  被測器件(DUT)

圖1 測試設(shè)置

電流從電源 OUT 端口流向功率分析儀輸入電流端口I1-IN，功率分析儀在此進(jìn)行測量。然后它通過 I1-OUT 從功率分析儀流出到被測器件(DUT)的 VIN 端口。電源分析儀 V1 連接到DUT VIN 端口以測量輸入電壓。電源的 GND 連接到 DUT 和功率分析儀的 GND。

在輸出側(cè)，電流從 DUT VOUT 端口流向功率分析儀輸入電流端口I2-IN，功率分析儀在此處進(jìn)行測量。然后它通過I2-OUT 從功率分析儀流出到直流電子負(fù)載的 CH1 端口，這里設(shè)置了DUT 負(fù)載電流。功率分析儀 V2 連接到 DUT VOUT 端口以測量輸出電壓。功率分析儀的GND 連接到 DUT 和直流電子負(fù)載的 GND。

該電源具有傳感功能，可保持提供給 DUT 的電壓恒定 (補償電纜損耗)，并在傳感器線路出現(xiàn)斷路時保護(hù)敏感負(fù)載。數(shù)據(jù)記錄器會測量 DUT 上不同 IC 組件的溫度。

整個系統(tǒng)是完全自動化的，以便確保精確和可重復(fù)的結(jié)果。基于 Pvthon 的軟件會控制整個設(shè)置，從設(shè)置輸入電壓和輸出負(fù)載，到測量組件的溫度和計算整體系統(tǒng)效率。圖 2 顯示了軟件的 GUI。

圖2 軟件 GUI

測試板和散熱片

為了評估不同散熱片的性能和影響，我們設(shè)計了一個基于 100 W 汽車預(yù)調(diào)節(jié)器設(shè)計的專用板，且針對熱評估進(jìn)行了優(yōu)化。圖3 顯示了具有 5V 輸出電壓和高達(dá) 20 A輸出電流能力的同降壓壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。汽車降壓控制器 NCV881930 具有 410 kH 的固定開關(guān)頻率。它驅(qū)動兩個符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 40 V MOSFET NVMFS5C460NL(帶底面裸露焊盤的 SO-8FL)，它們并聯(lián)在降壓轉(zhuǎn)換器的高邊 (HS) 和低邊(LS)，以實現(xiàn)高達(dá) 20 A 的高輸出電流。

圖3 測試板原理圖

對布局進(jìn)行以下修改，可以對電路板進(jìn)行熱評估：

●  增加了 PCB 總尺寸，以允許在 PCB 的頂面和底面安裝一個 50mm x 50mm 的散熱片；

●  為散熱片提供安裝孔；

●  為 PCB 底面的電感器提供額外的占位面積。

圖 4 和圖 5 顯示了頂面和底面，以及在 PCB 的頂面和底面安裝散熱片的可能性。

圖4 DUT頂面

圖5 DUT底面

通過上述配置，有三種可能的且已經(jīng)過分析的測試設(shè)置如下:

表1 測試設(shè)置

從機(jī)械角度來看，將散熱片正確且可更換地安裝到 PCB 上是最具挑戰(zhàn)性的部分。對于任何配置，在散熱片和散熱表面之間必須有一個薄膜間隙墊，以實現(xiàn)良好的導(dǎo)熱性。發(fā)射表面(如PCB 或 MOSFET 的封裝)從來都不是完全平坦和平行于散熱片的，因此間隙墊確保了兩者之間良好的層狀界面。材料選擇起著重要作用，顯著影響熱性能。例如，一個需要承受高電壓的材料的熱阻總是比基于石墨的導(dǎo)電材料高得多。

對于本測試設(shè)置，選擇了厚度為 0.5 mm 的 KERAFOL“SOFTTHERM”材料，請參見表 2。所有測量均使用 3.0 W/(m·K) 材料進(jìn)行，其熱阻為 0.41 KW。6.0 W/(m·K) 材料(熱阻為 0.20 KW) 僅在本白皮書未尾用于兩種材料的比較。

表 2.薄膜間隙墊

●  熱導(dǎo)率是一種材料屬性，不受幾何形狀(即形狀或尺寸) 的影響。它描述了內(nèi)部導(dǎo)熱能力,在比較不同材料時是一個有用的參數(shù)。

●  熱阻描述了具有一定厚度的材料如何抵抗熱流。由于厚度與熱阻直接相關(guān)，較薄的材料比較厚的材料具有更好的熱傳遞。

●  熱阻抗取決于形狀或尺寸、厚度和壓力。這是一個比較符合實際情況的值，因為所有變量如表面的平整度、壓力等，都針對特定應(yīng)用進(jìn)行了考慮。

用于連接散熱片的扭矩也會影響熱阻抗。通常，壓縮越高，熱阻越低。這是因為壓縮降低了整體厚度并增加了材料的密度。這兩個因素都提高了導(dǎo)熱性。厚度為 5 mm 的 86/300 SOFTTHERM 材料在零壓下的熱阻為 4.1 KW。30 N/cm2 的壓力會使厚度變?yōu)?3.7 mm，熱阻降低到 3.0 KW。這種材料的最薄版本厚度為 0.5 mm。在這種情況下，當(dāng)施加 30 Ncm的最大壓力時，材料可以壓縮到 0.3 mm。同時，熱阻從 0.4 K/W 下降到 0.25 KW。壓力過高會損壞薄膜間隙墊，例如導(dǎo)致泄漏。例如，對于 86/300  SOFTTHERM，壓縮量不應(yīng)超過原始厚度的 30%。

對于本測試設(shè)置，壓力的絕對值不是必需的，只要過高的扭矩或壓力不會損壞薄膜間隙墊和機(jī)械設(shè)置即可。最關(guān)鍵的一點是，用于每個散熱片和每種設(shè)置的壓力必須是相同的;否則，結(jié)果將無法比較。如前所述，壓力和熱阻之間的關(guān)系清楚地表明壓力會顯著影響整個系統(tǒng)的熱性能?？紤]厚度為 0.5 mm 的薄膜間隙墊，從 30 N/cm2 的最大壓力降到零壓力后，熱阻增加 60%。

一種相對簡單但可靠的設(shè)置是基于彈簧的，它通常用于在計算機(jī) CPU 上安裝散熱片。在這種機(jī)械設(shè)置中，螺釘將彈簧固定到位，將散熱片壓到 CPU 的頂面。壓力取決于彈簧的彈力,而不是螺釘?shù)呐ぞ?，因為它們不會對散熱片?CPU 施加壓力。

圖6顯示了將散熱片安裝到 PCB 上的設(shè)置。電感器和 MOSFET 位于底面，熱量通過 PCB散發(fā)到散熱片。在 PCB 的熱點周圍放置了無數(shù)的過孔，以降低 PCB 的熱阻，改善 PCB 中的垂直熱流。散熱片和 PCB 之間的薄膜間隙墊可以使任何粗糙和不均勻的表面變平整，以最大限度地減少熱阻。散熱片具有用于將散熱片和彈簧固定到位的螺釘?shù)穆菁y。彈簧由螺釘輕輕預(yù)壓，使散熱片壓在 PCB 上。彈簧被壓縮的長度與其彈力成正比，所有四個彈簧都需要具有相同的長度才能為每個固定點施加相同的壓力。對每個設(shè)置使用相同的彈簧長度和機(jī)械力可確?？蓮?fù)現(xiàn)和可比較的結(jié)果。

圖6 PCB 上的散熱片

圖7顯示了在 MOSFET 頂面帶有散熱片的配置。設(shè)置是一樣的，只需將電感器放置在底面，以便將散熱片安裝在 MOSFET 的頂面。

圖7 MOSFET 上的散熱片

測量中使用了 Fischer Elektronik 的三種底面積為 50 x 50 mm 不同散熱片，請參見表 3。

表3 散熱片概述

選擇它們的原因是，在給定各自高度的情況下，它們各自的熱阻之間存在顯著差異。隨著每次高度的增加，熱阻大約減小二分之一。這應(yīng)有助于清楚地區(qū)分不同散熱片的熱性能。

MOSFET 之間的功率分配

理解以下測量結(jié)果對于正確理解高邊和低邊 MOSFET 之間的損耗和損耗分配至關(guān)重要。因此，為了解主要來源，所有與 MOSFET 相關(guān)的損耗都需計算。將肖特基二極管與低邊MOSFET 并聯(lián)放置可防止反向恢復(fù)損耗，并且死區(qū)時間損耗從低邊 MOSFET 轉(zhuǎn)移到肖特基二極管。

輸出功率

輸入功率

總損耗

分流損耗

電感損耗

高邊 MOSFET 導(dǎo)通損耗

低邊 MOSFET 導(dǎo)通損耗

肖特基二極管的死區(qū)時間損耗

在從高邊到低邊 MOSFET 的電流轉(zhuǎn)換期間(反之亦然)，所有 MOSFET 都關(guān)閉一段特定的時間，稱為“死區(qū)時間”。在此短時間內(nèi) (典型值為 20 ns)，電流流過低邊 MOSFET 的體極管。如果將額外的肖特基二極管與低邊 MOSFET 并聯(lián)放置，則死區(qū)期間的電流會流過肖特基二極管，因為它的正向電壓(典型值為 0.485 V) 低于體二極管 (典型值為 0.86 V)。使用肖特基二極管的另一個主要好處是避免體二極管的反向恢復(fù)損耗，因為肖特基二極管沒有反向恢復(fù)損耗。由于正向壓降導(dǎo)致的死區(qū)時間損耗出現(xiàn)在肖特基二極管上，必須考慮 IL,MIN (關(guān)閉低邊 MOSFET) 和IL,MAX (打開低邊 MOSFET)。

電容損耗

高邊 MOSFET 的輸出電容在 toff 期間被充電至(Vin- Vf)。通過打開 MOSFET，導(dǎo)通電阻縮短了輸出電容；因此，儲存的能量被轉(zhuǎn)化為熱量。

與其他損耗相比，電容損耗最小，因此在以下計算中忽略不計。

開關(guān)損耗

開關(guān)損耗很難被估算，因為它取決于復(fù)雜的參數(shù)，例如柵極驅(qū)動器跡線的寄生電感。因此，在這種情況下，將使用不同的方法來測定。如果從總損耗中減去所有已知和計算的損耗，則剩下的就是總開關(guān)損耗。當(dāng)然，PCB 的銅電阻也會產(chǎn)生一些損耗，但由于大小未知和不占主導(dǎo)，它們也會被忽略。

由于低邊 MOSFET 的開關(guān)電壓幾乎為零 (漏極-源極電壓等于 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷時的二極管正向電壓)，計算出的大部分開關(guān)損耗都是由高邊 MOSFET 引起的。

高邊 MOSFET 總損耗

低邊 MOSFET 總損耗

根據(jù)上述計算，高邊 MOSFET 的總損耗比低邊 MOSFET 高得多，因此可以假設(shè)高邊MOSFET 的升溫遠(yuǎn)高于低邊 MOSFET 的升溫。圖8 顯示了低邊 MOSFET 在所有負(fù)載電流下的損耗小于 1.0 W，而高邊 MOSFET 在 20.0 A 負(fù)載電流下的損耗大于 6.0 W。

圖8 MOSFET損耗