高功率降壓轉(zhuǎn)換的散熱評(píng)估測(cè)試原理概述

自動(dòng)駕駛是所有汽車 OEM 在這個(gè)時(shí)代面臨的新一波重要趨勢(shì)，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(cè)量的設(shè)置、測(cè)試板的簡(jiǎn)要概述以及用于實(shí)驗(yàn)的各種散熱片。測(cè)試結(jié)果將在后續(xù)的文章中介紹并總結(jié)在設(shè)計(jì)高輸出功率預(yù)調(diào)節(jié)器時(shí)使用散熱片的效果。

設(shè)置

圖 1 描述了用于測(cè)試板熱評(píng)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(cè)器件(DUT)

圖1 測(cè)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(cè)量。然后它通過(guò) I1-OUT 從功率分析儀流出到被測(cè)器件(DUT)的 VIN 端口。電源分析儀 V1 連接到DUT VIN 端口以測(cè)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(cè)量。然后它通過(guò)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(cè)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(bǔ)償電纜損耗)，并在傳感器線路出現(xiàn)斷路時(shí)保護(hù)敏感負(fù)載。數(shù)據(jù)記錄器會(huì)測(cè)量 DUT 上不同 IC 組件的溫度。

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

圖2 軟件 GUI

測(cè)試板和散熱片

為了評(píng)估不同散熱片的性能和影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于 100 W 汽車預(yù)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的專用板，且針對(duì)熱評(píng)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(kāi)關(guān)頻率。它驅(qū)動(dòng)兩個(gè)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(shí)現(xiàn)高達(dá) 20 A 的高輸出電流。

圖3 測(cè)試板原理圖

對(duì)布局進(jìn)行以下修改，可以對(duì)電路板進(jìn)行熱評(píng)估：

●  增加了 PCB 總尺寸，以允許在 PCB 的頂面和底面安裝一個(gè) 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(guò)上述配置，有三種可能的且已經(jīng)過(guò)分析的測(cè)試設(shè)置如下:

表1 測(cè)試設(shè)置

從機(jī)械角度來(lái)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(duì)于任何配置，在散熱片和散熱表面之間必須有一個(gè)薄膜間隙墊，以實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)熱性。發(fā)射表面(如PCB 或 MOSFET 的封裝)從來(lái)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(gè)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(duì)于本測(cè)試設(shè)置，選擇了厚度為 0.5 mm 的 KERAFOL“SOFTTHERM”材料，請(qǐng)參見(jiàn)表 2。所有測(cè)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(shū)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(shí)是一個(gè)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(gè)比較符合實(shí)際情況的值，因?yàn)樗凶兞咳绫砻娴钠秸取毫Φ?，都針?duì)特定應(yīng)用進(jìn)行了考慮。

用于連接散熱片的扭矩也會(huì)影響熱阻抗。通常，壓縮越高，熱阻越低。這是因?yàn)閴嚎s降低了整體厚度并增加了材料的密度。這兩個(gè)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(huì)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(shí)，材料可以壓縮到 0.3 mm。同時(shí)，熱阻從 0.4 K/W 下降到 0.25 KW。壓力過(guò)高會(huì)損壞薄膜間隙墊，例如導(dǎo)致泄漏。例如，對(duì)于 86/300  SOFTTHERM，壓縮量不應(yīng)超過(guò)原始厚度的 30%。

對(duì)于本測(cè)試設(shè)置，壓力的絕對(duì)值不是必需的，只要過(guò)高的扭矩或壓力不會(huì)損壞薄膜間隙墊和機(jī)械設(shè)置即可。最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，用于每個(gè)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(wú)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(huì)顯著影響整個(gè)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(duì)簡(jiǎn)單但可靠的設(shè)置是基于彈簧的，它通常用于在計(jì)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)呐ぞ兀驗(yàn)樗鼈儾粫?huì)對(duì)散熱片或 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(guò) PCB散發(fā)到散熱片。在 PCB 的熱點(diǎn)周圍放置了無(wú)數(shù)的過(guò)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(zhǎng)度與其彈力成正比，所有四個(gè)彈簧都需要具有相同的長(zhǎng)度才能為每個(gè)固定點(diǎn)施加相同的壓力。對(duì)每個(gè)設(shè)置使用相同的彈簧長(zhǎng)度和機(jī)械力可確保可復(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(cè)量中使用了 Fischer Elektronik 的三種底面積為 50 x 50 mm 不同散熱片，請(qǐng)參見(jiàn)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(cè)量結(jié)果對(duì)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(lái)源，所有與 MOSFET 相關(guān)的損耗都需計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)間，稱為“死區(qū)時(shí)間”。在此短時(shí)間內(nèi) (典型值為 20 ns)，電流流過(guò)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(huì)流過(guò)肖特基二極管，因?yàn)樗恼螂妷?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(gè)主要好處是避免體二極管的反向恢復(fù)損耗，因?yàn)樾ぬ鼗O管沒(méi)有反向恢復(fù)損耗。由于正向壓降導(dǎo)致的死區(qū)時(shí)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(kāi)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(guò)打開(kāi) MOSFET，導(dǎo)通電阻縮短了輸出電容；因此，儲(chǔ)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(jì)算中忽略不計(jì)。

開(kāi)關(guān)損耗

開(kāi)關(guān)損耗很難被估算，因?yàn)樗Q于復(fù)雜的參數(shù)，例如柵極驅(qū)動(dòng)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(lái)測(cè)定。如果從總損耗中減去所有已知和計(jì)算的損耗，則剩下的就是總開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)然，PCB 的銅電阻也會(huì)產(chǎn)生一些損耗，但由于大小未知和不占主導(dǎo)，它們也會(huì)被忽略。

由于低邊 MOSFET 的開(kāi)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(shí)的二極管正向電壓)，計(jì)算出的大部分開(kāi)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(jì)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