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干貨 | 關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換器的選型及設(shè)計(jì)詳細(xì)指南

來(lái)源：深圳市晧辰電子科技有限公司 2021年01月22日 18:36

DC/DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格說(shuō)明

板載DC-DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格是重要且詳細(xì)的過(guò)程。選型正確后，它會(huì)產(chǎn)生符合所有應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。錯(cuò)誤選擇轉(zhuǎn)換器會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高，或者不適合該應(yīng)用。本常見(jiàn)問(wèn)題解答將介紹板載DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要規(guī)格，以及包括熱管理和電磁兼容性考慮因素。

這款效率為96％的40A負(fù)載點(diǎn)（PoL）非隔離式板裝DC/DC轉(zhuǎn)換器尺寸為33mm x 13.5mm x 10.2mm。（圖片：TDK）

效率通常是DC/DC轉(zhuǎn)換器重要的規(guī)格，它對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多方面都具有重大影響。即使在高效率的設(shè)計(jì)中，效率的提高也會(huì)產(chǎn)生重大影響。效率為95％的設(shè)計(jì)熱損耗為5%，效率為80％的DC/DC轉(zhuǎn)換器熱損耗為20%，相差四倍。這種差異會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多方面：

可以降低工作溫度，或者可以在相同工作溫度下提高系統(tǒng)功率密度
系統(tǒng)的物理尺寸減小
由于可使用較小甚至無(wú)需使用散熱器，因此系統(tǒng)成本將更低
可靠性大幅提高
對(duì)于交流電源系統(tǒng)，前端交流/直流電源將更小且成本更低
電池供電的系統(tǒng)可以使用較小的電池或在給定的供電水平下運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間
對(duì)系統(tǒng)的能源成本和環(huán)境影響將減少

5V DC/1A輸出的DC / DC轉(zhuǎn)換器在各種輸入電壓下的效率曲線(xiàn)。圖片：RECOM

效率可以通過(guò)多種方式體現(xiàn)，例如在各種輸入電壓電平，各種輸出功率電平等情況下的典型值（非常常見(jiàn)），保證的較小值。并且，在所考慮的范圍內(nèi)，效率通常不是平坦的。對(duì)于輸出功率與效率的關(guān)系，重要的是要考慮效率曲線(xiàn)的形狀，并將其與系統(tǒng)的預(yù)期運(yùn)行狀態(tài)相匹配，以在實(shí)際運(yùn)行條件下較大化效率。

在許多應(yīng)用中，尤其是電池供電的設(shè)備，空載功耗可能是重要的指標(biāo)，它與開(kāi)關(guān)電路的功耗有關(guān)，是整體效率的限制因素。

輸出調(diào)節(jié)

額定輸出電流是一個(gè)簡(jiǎn)單明了的規(guī)格。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還規(guī)定了較小負(fù)載。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的不同，低于小負(fù)載的運(yùn)行會(huì)對(duì)電壓調(diào)節(jié)產(chǎn)生負(fù)面影響，但不會(huì)損壞轉(zhuǎn)換器。輸出電壓是要的更復(fù)雜的參數(shù)。提供用于輸出電壓的起點(diǎn)的兩個(gè)因素是標(biāo)稱(chēng)值或“設(shè)定點(diǎn)”，以及該標(biāo)稱(chēng)值與各種獨(dú)立參數(shù)（例如輸出負(fù)載的變化，輸入電壓的變化和工作溫度變化。)

設(shè)定值規(guī)格的一個(gè)例子是在額定輸入電壓，滿(mǎn)載和25°C下為±1％。電源和負(fù)載調(diào)整率通常為百分比或范圍，例如，±0.1％或±5mV。溫度調(diào)節(jié)通常為“每攝氏度”，例如±0.01％/°C或百萬(wàn)分之一（PPM），如PPM /°C所示。一些DC/DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商提供了針對(duì)所有可能變化的“總調(diào)節(jié)”的單一規(guī)范，而不是提供上面概述的各個(gè)規(guī)范。對(duì)于低于3V的電壓，詳細(xì)規(guī)定輸出電壓調(diào)節(jié)可能更為重要。

在典型應(yīng)用中，與輸出負(fù)載水平相比，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，線(xiàn)路輸入電壓和工作溫度變化相對(duì)較小。結(jié)果，負(fù)載調(diào)節(jié)是更關(guān)鍵的規(guī)格。另外，由于輸出負(fù)載中階躍函數(shù)的變化而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（有時(shí)稱(chēng)為瞬態(tài)響應(yīng)）。

動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

對(duì)于許多系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)比靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)更為關(guān)鍵。在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)，有必要對(duì)負(fù)載的變化，變化率，“恢復(fù)”的定義以及達(dá)到恢復(fù)的時(shí)間進(jìn)行量化。例如：“負(fù)載變化為25％至75％，dI/dt為0.1A/µs，較大偏差為3％，并在200ms內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定值的1％。”輸出電壓將在電流增加時(shí)減小，而在電流減小時(shí)增加。

輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，顯示瞬態(tài)響應(yīng)偏差和恢復(fù)時(shí)間。（圖片：Keysight Technologies）

動(dòng)態(tài)響應(yīng)既是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮因素，也是電源設(shè)計(jì)的考慮因素。配電網(wǎng)絡(luò)的阻抗和去耦設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)具有重大影響。對(duì)于板上安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器，為FPGA和微處理器等大型數(shù)字IC供電時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)尤其重要。

開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出包含低頻（紋波）和高頻（噪聲）分量，通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示。對(duì)于5V輸出，紋波和噪聲的典型規(guī)格峰峰值為75mV。紋波的頻率與轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。噪聲的可變性更大，并且是由開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器工作中固有的高dI/dt寄生電感振鈴引起的。噪聲在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間突然出現(xiàn)，并疊加在較低的頻率紋波上。使用板載DC / DC轉(zhuǎn)換器時(shí)電磁兼容性需要詳細(xì)考慮。

保護(hù)功能

過(guò)流保護(hù)旨在保護(hù)轉(zhuǎn)換器免受系統(tǒng)故障（例如短路）的影響。有三種常見(jiàn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)，較大限流，折返限流和打嗝限流。在較大電流限制中，負(fù)載電流被限制在不超過(guò)較大值的范圍內(nèi)。當(dāng)達(dá)到該值時(shí)，輸出電壓下降。在電流限制階段，DC / DC轉(zhuǎn)換器中的功耗通常比正常操作中的功耗高。折返電流限制可在檢測(cè)到故障時(shí)降低輸出電流。與較大電流限制相比，這可以實(shí)現(xiàn)較低的較大功耗。但是，折返電流限制可能會(huì)在啟動(dòng)時(shí)提供較少的電流。結(jié)果，如果啟動(dòng)期間的負(fù)載電流大于折返電流極限支持的值，則輸出的上升速度會(huì)變慢，否則轉(zhuǎn)換器可能無(wú)法啟動(dòng)。

當(dāng)電流檢測(cè)電路在打嗝電流限制中發(fā)現(xiàn)過(guò)電流情況時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉一段時(shí)間，然后嘗試再次啟動(dòng)。如果消除了過(guò)載條件，轉(zhuǎn)換器將啟動(dòng)并正常運(yùn)行；否則，控制器將認(rèn)為是另一種過(guò)電流情況并關(guān)閉，重復(fù)該循環(huán)。打嗝操作消除了其他兩種過(guò)流保護(hù)方法的缺點(diǎn)。但是，由于需要定時(shí)電路，因此更加復(fù)雜。

打嗝電流限制比較大電流限制或折返電流限制更為復(fù)雜。帶有打ic保護(hù)功能的轉(zhuǎn)換器每次嘗試重新啟動(dòng)時(shí)都會(huì)發(fā)出“滴答”聲。圖片：RECOM

通常，將轉(zhuǎn)換器故障導(dǎo)致的輸出過(guò)壓條件鉗位在特定水平。裝置通常在短路狀態(tài)下發(fā)生故障，從而防止損壞主機(jī)系統(tǒng)。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還具有欠壓鎖定功能，可在低輸入電壓下將其關(guān)閉。轉(zhuǎn)換器在“掉電模式”下工作，在該模式下，輸出功率受限，以防止過(guò)多的輸入電流流入。

一般規(guī)格

在特定應(yīng)用中，許多附加規(guī)范可能很重要，例如用于轉(zhuǎn)換器配置和監(jiān)視的PMBus通信功能。遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)功能可控制多個(gè)轉(zhuǎn)換器的上電和斷電順序或出于安全原因選擇遠(yuǎn)程，遙感功能對(duì)某些應(yīng)用可能很重要。

大多數(shù)板上安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器是非隔離的降壓轉(zhuǎn)換器。不過(guò)，有時(shí)還是需要隔離轉(zhuǎn)換器，并且需要隔離電壓的水平。隔離電容也很重要，主要是隔離式轉(zhuǎn)換器中變壓器初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的寄生耦合。

二、EMC和EMI

電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）是影響電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)考慮，尤其是在分布式電源架構(gòu)（DPA）中使用多個(gè)板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的情況下。EMC / EMI是一個(gè)多方面的考慮因素，其中包括轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出的差模和共模噪聲，輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲以及轉(zhuǎn)換器的磁化率和發(fā)射水平。

EMC被定義為即使在給定范圍內(nèi)遭受各種EMI形式影響，設(shè)備仍可按規(guī)定運(yùn)行的能力。板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器可能是很大的EMI源，必須對(duì)其進(jìn)行控制以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。而且它還容易受到干擾，特別是在輸入側(cè)。

高頻板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器需要選擇轉(zhuǎn)換器中磁性元件的尺寸較小化，從而減小了整體解決方案。使用較小的無(wú)源器件可以使設(shè)計(jì)緊湊的電路更為簡(jiǎn)單，從而獲得更好的EMC / EMI特性。

但是，高頻也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器中電源開(kāi)關(guān)電路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET開(kāi)關(guān)沿導(dǎo)致較高的dI / dt（取決于上升時(shí)間，其頻率高達(dá)幾百M(fèi)Hz），這受MOSFET輸出電容，結(jié)電容，肖特基二極管的反向恢復(fù)電容等因素。

電磁兼容/電磁干擾

EMI耦合機(jī)制（圖片來(lái)源：Boyd Corp.）

如上所述，EMI可以通過(guò)傳導(dǎo)，輻射或耦合發(fā)射的形式出現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在DPA中使用多個(gè)板上安裝的降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，每種EMI產(chǎn)生方式都可能成為一個(gè)重大問(wèn)題。

傳導(dǎo)發(fā)射是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)，電路板走線(xiàn)等帶入電子系統(tǒng)的有害電磁能量。它可以采取共模或差模（也稱(chēng)為正常模式）能量的形式。

耦合發(fā)射包括從干擾源到電子系統(tǒng)的電容或電感耦合的電磁能。

輻射發(fā)射是從干擾源到電子系統(tǒng)的整個(gè)空間輻射的電磁能。

EMI標(biāo)準(zhǔn)

有兩種類(lèi)型的EMC標(biāo)準(zhǔn)，基本和與通用/產(chǎn)品相關(guān)。像IEC 61000-4和CISPR 16一樣，基本EMC標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有規(guī)定發(fā)射限值或抗擾度測(cè)試等級(jí)。它們?nèi)绾螆?zhí)行測(cè)量。通用EMC標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品（系列）EMC標(biāo)準(zhǔn)（例如CISPR / EN 55022/32和FCC）了限制和測(cè)試級(jí)別，有關(guān)測(cè)試設(shè)置和方法規(guī)范，請(qǐng)參閱Basic EMC出版物。

IT和多媒體設(shè)備的設(shè)計(jì)者必須在適用的150kHz至30MHz頻率范圍內(nèi)使用準(zhǔn)峰值和平均信號(hào)檢測(cè)器來(lái)滿(mǎn)足傳導(dǎo)發(fā)射的EN 55022/32 A類(lèi)和B類(lèi)限制。必須同時(shí)滿(mǎn)足準(zhǔn)峰值和均值限制。專(zhuān)為北美市場(chǎng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品必須符合FCC 15規(guī)定的等效限制。B類(lèi)設(shè)置的傳導(dǎo)排放限值與CISPR 22和EN 55022/32中的限值相同。

CISPR / EN 55022/32 A類(lèi)和B類(lèi)準(zhǔn)峰值（QP）和平均（AVG）傳導(dǎo)發(fā)射限值（圖片：德州儀器（Texas Instruments））

IEC 61000基本EMC標(biāo)準(zhǔn)由幾個(gè)部分組成。常規(guī)（61000-1），環(huán)境（61000-2），限值（61000-3），測(cè)試和測(cè)量技術(shù)（61000-4），安裝指南（61000-5），通用標(biāo)準(zhǔn)（61000-6），其他（61000-9）。

CISPR 1‐6基本EMC標(biāo)準(zhǔn)包括四個(gè)部分：CISPR 16-1有六個(gè)子部分，電壓，電流和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備以及測(cè)試地點(diǎn)。這些包括測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。CISPR 16-2有五個(gè)子部分，規(guī)定了測(cè)量高頻EMC現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)干擾和抗擾度的方法。CISPR 16-3是IEC技術(shù)報(bào)告（TR），其中包含特定的技術(shù)報(bào)告和有關(guān)CISPR歷史的信息。CISPR 16-4包括五個(gè)子部分，其中包含與不確定性，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和極限建模有關(guān)的信息。

傳導(dǎo)性EMI的主要非軍事通用/產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)摘要（圖片：德州儀器）

遏制EMI

控制EMI很重要，原因有二：不符合上述EMI標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)在許多市場(chǎng)都被禁止，并且EMI過(guò)多會(huì)降低系統(tǒng)性能。EMI是一個(gè)多維問(wèn)題，有幾種途徑控制EMI。如果使用可靠供應(yīng)商提供的板裝DC / DC轉(zhuǎn)換器，通常不會(huì)出現(xiàn)輻射發(fā)射和耦合發(fā)射問(wèn)題。但是，轉(zhuǎn)換器的輸入端需要注意以較小化轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)發(fā)射連接到電源總線(xiàn)上，并處理可能對(duì)電源總線(xiàn)的瞬變敏感影響轉(zhuǎn)換器性能的可能性。一些一般的注意事項(xiàng)包括：

電路設(shè)計(jì)：保持電流環(huán)路較小，以大程度地減少導(dǎo)體通過(guò)感應(yīng)或輻射耦合能量的能力，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娙萜骱驮O(shè)計(jì)中的其他組件以大程度地減少耦合。此外，使用將頻率展頻與開(kāi)關(guān)頻率抖動(dòng)相結(jié)合的板上安裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)允許在任何一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在任何一個(gè)頻率上發(fā)射，從而有效地降低EMI。

采用2x 2板載封裝的六側(cè)屏蔽60W隔離式DC / DC轉(zhuǎn)換器。圖片：RECOM

過(guò)濾器：將過(guò)濾器盡可能靠近轉(zhuǎn)換器。旁路電容引線(xiàn)應(yīng)盡可能短。在典型的板裝降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，輸入濾波通常是關(guān)鍵的。功率MOSFET與輸出之間有一個(gè)電感，至少在某種程度上減輕了EMI。但是，輸入側(cè)的EMI會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中傳播，因?yàn)樗鼘⒂芍麟娫纯偩€(xiàn)承載。盡管輸入側(cè)關(guān)鍵，但在考慮EMI時(shí)忽略輸出側(cè)并非明智之舉。對(duì)于板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商，通常在數(shù)據(jù)表中列出滿(mǎn)足特定EMC / EMI標(biāo)準(zhǔn)所需的外部組件。

屏蔽：有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，當(dāng)頻率低于200MHz時(shí)，接地可能是可行的解決方案，但是當(dāng)頻率高于200MHz時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生輻射，解決方案就是屏蔽。對(duì)于電信，過(guò)程控制，廣播，工業(yè)以及測(cè)試和測(cè)量設(shè)備等應(yīng)用，通常建議使用帶有六面金屬屏蔽的板裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器來(lái)較大化EMC / EMI性能。

歸根結(jié)底，EMC / EMI是系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。優(yōu)化板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的EMC / EMI性能是一個(gè)重要的考慮因素，但是其他系統(tǒng)元素通常對(duì)EMC / EMI性能更重要。

三、熱管理及熱分析

系統(tǒng)級(jí)熱設(shè)計(jì)對(duì)于DC / DC轉(zhuǎn)換器的電氣規(guī)格同樣重要。越來(lái)越多的分布式電源架構(gòu)（DPA）使用增加了熱設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。單個(gè)多路輸出AC / DC電源用于在常規(guī)電源架構(gòu)中為各種負(fù)載供電。集中式電源的使用集中了電源轉(zhuǎn)換過(guò)程的散熱，從而實(shí)現(xiàn)了直接的散熱設(shè)計(jì)。

在DPA中，單輸出AC / DC電源產(chǎn)生相對(duì)較高的分配電壓（例如12VDC或48VDC），并通過(guò)多個(gè)非隔離式降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器為低壓負(fù)載供電。DPA體系結(jié)構(gòu)將功率轉(zhuǎn)換過(guò)程的散熱散布在整個(gè)系統(tǒng)中，并使散熱設(shè)計(jì)復(fù)雜化。使用DPA的好處是可以包括較小的總體解決方案尺寸，更高的效率和更低的成本。

DC / DC轉(zhuǎn)換器選擇注意事項(xiàng)

效率通常被認(rèn)為是重要的規(guī)范。效率對(duì)熱管理有重大影響。因此，使用高效的DC / DC轉(zhuǎn)換器非常重要。但并不是那么簡(jiǎn)單。效率通常是在滿(mǎn)載條件下的，而DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會(huì)降額使用，并且工作功率低于滿(mǎn)功率，以提高系統(tǒng)可靠性。而且系統(tǒng)通常不會(huì)一直在大功率下運(yùn)行。事實(shí)證明，為給定應(yīng)用選擇高效的轉(zhuǎn)換器并不像初次看起來(lái)那樣簡(jiǎn)單。了解系統(tǒng)工作條件后，設(shè)計(jì)人員可以選擇效率特性符合系統(tǒng)需求的DC / DC轉(zhuǎn)換器。

此外，DPA中使用的降壓轉(zhuǎn)換器具有多種設(shè)計(jì)，每種設(shè)計(jì)都有不同的效率權(quán)衡。例如，在高負(fù)載下，同步降壓轉(zhuǎn)換器比非同步降壓轉(zhuǎn)換器效率更高。但是選擇取決于系統(tǒng)的運(yùn)行特性。與同步設(shè)計(jì)相比，非同步降壓在輕載條件下通常更為有效。在大量時(shí)間在低功率水平下運(yùn)行且僅偶爾需要峰值功率的系統(tǒng)中，非同步降壓可以提供更高的整體運(yùn)行效率。由于其設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，因此非同步降壓的成本更低，并且更可靠。

額定12V輸入和1.5V輸出的同步和非同步DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率比較。圖片：德州儀器（Texas Instruments）

在要求高效率的系統(tǒng)中，新興的半導(dǎo)體材料（例如氮化鎵（GaN））的使用可以提供更高的效率和更小的尺寸。GaN是一種寬帶隙材料，具有比傳統(tǒng)硅更高的導(dǎo)電性。與硅器件相比，GaN晶體管更小，具有相同導(dǎo)通電阻的較低電容。零QRR可減少高頻損耗。GaN的開(kāi)關(guān)性能可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，更高的頻率，更高的開(kāi)關(guān)精度，更高的總線(xiàn)電壓和更少的電壓轉(zhuǎn)換損耗。

硅與氮化鎵（GaN）的48V至12V DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率比較。（圖片：EPC）

在散熱設(shè)計(jì)和散熱能力方面，并非所有板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器都相同。有些在絕緣金屬基板上構(gòu)建，以增強(qiáng)熱性能。有些包含用于改善導(dǎo)熱性的散熱孔，有些則開(kāi)始使用3D封裝，該封裝使用堆疊的，嵌入式的或平面的組件顯著減小尺寸。

減小物理尺寸不僅增加了功率密度，而且減少了寄生效應(yīng)和較小的電流環(huán)路，這意味著，即使使用MHz的開(kāi)關(guān)頻率，也可以將EMI控制好。權(quán)衡使熱管理可能變得更加復(fù)雜。DC-DC轉(zhuǎn)換器的整體溫度性能在很大程度上取決于終應(yīng)用。

隨著不斷受限的電路板空間中性能的提高，需要諸如3D電源封裝之類(lèi)的技術(shù)進(jìn)步來(lái)確保功耗不會(huì)迅速增加。否則，性能極限將取決于溫度，而不是設(shè)計(jì)的大功率。圖片：RECOM

系統(tǒng)熱分布

熱量管理始于在設(shè)計(jì)階段通過(guò)系統(tǒng)熱分布圖測(cè)量工作溫度來(lái)識(shí)別發(fā)熱點(diǎn)和其他重點(diǎn)區(qū)域。對(duì)于特定的操作環(huán)境而言，熱圖對(duì)于實(shí)現(xiàn)正確的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是必需的。它有助于確定系統(tǒng)運(yùn)行期間需要監(jiān)視（測(cè)量）的區(qū)域。

如果使用紅外（IR）攝像機(jī)進(jìn)行的熱成像表明一個(gè)或多個(gè)熱點(diǎn)PCB的溫度高于預(yù)期溫度，這可能表明存在問(wèn)題。重要的是要考慮到靠近較高熱量附近的組件；他們可能會(huì)經(jīng)歷長(zhǎng)期的老化影響。為了檢測(cè)熱點(diǎn)，需要足夠的幾何分辨率。只有通過(guò)足夠數(shù)量的像素才能很好分辨的細(xì)節(jié)以及正確測(cè)量。因此，高分辨率紅外攝像機(jī)系統(tǒng)是在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的不錯(cuò)選擇。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常將高分辨率紅外攝像頭系統(tǒng)用于熱成像。圖片：InfraTec

與熱電偶或點(diǎn)測(cè)高溫計(jì)不同，高分辨率紅外熱像儀可以在系統(tǒng)和設(shè)備上獲取準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。而且散熱設(shè)計(jì)并非一成不變。在不斷變化的系統(tǒng)運(yùn)行狀況下，整個(gè)系統(tǒng)的散熱通常會(huì)變化（有時(shí)會(huì)迅速變化）。一些紅外熱像儀可以記錄高速數(shù)據(jù)，并具有表征快速熱瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱條件所需的靈敏度和空間分辨率。

監(jiān)控?zé)嵝阅?/span>

內(nèi)置熱關(guān)斷功能通常用于板裝DC / DC轉(zhuǎn)換器，連續(xù)監(jiān)控轉(zhuǎn)換器的工作溫度通常非常有用，以下是可用于熱監(jiān)控的組件的兩個(gè)示例。

熱敏電阻是隨溫度變化的電阻，通常由導(dǎo)電材料制成，例如金屬氧化物陶瓷或聚合物。常見(jiàn)的熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)（NTC）為負(fù)，通常稱(chēng)為NTC。使用NTC需要信號(hào)調(diào)理。熱敏電阻通常與分壓器中的固定值電阻器一起使用，其輸出使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行數(shù)字化。

顯示熱敏電阻如何與ADC接口的基本電路。電阻R1和熱敏電阻形成一個(gè)分壓器，其輸出電壓取決于溫度。（圖片：Maxim）

溫度傳感器IC利用PN結(jié)的熱特性。由于它們是使用常規(guī)半導(dǎo)體工藝構(gòu)建的有源電路，因此它們可以采用多種形式，并具有多種功能（例如數(shù)字接口，ADC輸入和風(fēng)扇控制功能）。溫度傳感器IC的工作溫度范圍從-55°C到+ 125°C，一些器件的工作溫度上限約為+ 150°C。

四、故障率及可靠性

板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的可靠性對(duì)于理解和量化非常重要。它是隨時(shí)間變化的系統(tǒng)或設(shè)備故障發(fā)生頻率的度量。可靠性是觀(guān)察到的故障率，它定義為兩次故障之間的時(shí)間（以小時(shí)為單位），稱(chēng)為平均故障間隔時(shí)間（MTBF），或者直到一次故障之間的時(shí)間（也以小時(shí)為單位），稱(chēng)為平均故障間隔時(shí)間（MTTF）。有時(shí)，可靠性是通過(guò)MTBF數(shù)字的倒數(shù)（基于109小時(shí)）來(lái)量化的，稱(chēng)為時(shí)間失敗單位（FIT）：FIT = 109 / MTBF。

每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)故障率λ，它是每單位時(shí)間發(fā)生故障的單元數(shù)——故障率在設(shè)備的整個(gè)生命周期中以可預(yù)測(cè)的方式變化。當(dāng)繪制為故障率與時(shí)間的關(guān)系時(shí)，通常稱(chēng)為可靠性浴盆曲線(xiàn)。它顯示了早期故障率的總和，以及產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的恒定（隨機(jī)）故障率，再加上壽命終止時(shí)的磨損率。

浴盆曲線(xiàn)用于說(shuō)明觀(guān)察到的電子系統(tǒng)故障率。圖片：維基百科

在產(chǎn)品壽命的主要階段，由于材料缺陷或制造錯(cuò)誤（未在終測(cè)試和檢查中發(fā)現(xiàn)）而導(dǎo)致所謂的失效，因此故障率不斷下降，λ下降。板裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器的大多數(shù)失效發(fā)生在運(yùn)行的初24小時(shí)內(nèi)。

在電子產(chǎn)品中，Arrhenius方程用于確定在給定溫度下工作組件的預(yù)計(jì)壽命。它適用于化學(xué)方法，可測(cè)量與溫度有關(guān)的反應(yīng)速率，并觀(guān)察到將溫度降低10°C將使產(chǎn)品可靠性提高一倍。相反，提高工作溫度會(huì)加快電子設(shè)備的故障率。

Arrhenius方程是電子設(shè)備和系統(tǒng)失效的理由。例如，剛制造的DC / DC轉(zhuǎn)換器在老化室內(nèi)在滿(mǎn)負(fù)荷和高溫下運(yùn)行約4小時(shí)，可以消除許多早期失效現(xiàn)象。通常使用40或50°C進(jìn)行老化，有時(shí)會(huì)進(jìn)一步使用較高的溫度和較高的濕度。高可靠性DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會(huì)進(jìn)行24小時(shí)老化。

在產(chǎn)品和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，用于高度加速壽命測(cè)試（HALT）和高度加速應(yīng)力篩選（HASS）的加速應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的弱點(diǎn)。執(zhí)行HALT和HASS可以大限度地提高實(shí)驗(yàn)室效率，同時(shí)降低與保修和召回相關(guān)的成本，從而提高產(chǎn)品可靠性。HALT和HASS使用溫度和振動(dòng)應(yīng)力來(lái)消除設(shè)計(jì)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出更可靠的產(chǎn)品并篩除早期產(chǎn)品故障問(wèn)題。HALT和HASS決定了產(chǎn)品的運(yùn)行和破壞極限，因?yàn)樵趯?duì)產(chǎn)品施加壓力的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了功能測(cè)試并不斷監(jiān)測(cè)其故障。

HALT和HASS測(cè)試箱用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品測(cè)試。圖片：Thermotron

在大多數(shù)DC / DC轉(zhuǎn)換器的使用周期中，除了初始故障率之外，它們會(huì)經(jīng)歷恒定的故障率λ，并且可靠性曲線(xiàn)基本上是平坦的。恒定故障率持續(xù)的時(shí)間取決于各種因素，例如應(yīng)用環(huán)境的固有應(yīng)力，所用組件的質(zhì)量，DC / DC轉(zhuǎn)換器的制造質(zhì)量等等。隨著在產(chǎn)品使用壽命到期時(shí)的磨損過(guò)程中，故障率會(huì)不斷提高。

預(yù)測(cè)可靠性

預(yù)測(cè)可靠性的兩個(gè)常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性預(yù)測(cè)程序SR-332。這些和其他可靠性預(yù)測(cè)部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217初是由美國(guó)開(kāi)發(fā)的，可產(chǎn)生MTBF和MTTF數(shù)據(jù)，而Telcordia SR-332是為電信行業(yè)開(kāi)發(fā)的，可產(chǎn)生FIT數(shù)據(jù)。當(dāng)前，MIL-HDBK-217是使用廣泛的可靠性計(jì)算方法。

可以使用零件計(jì)數(shù)分析（PCA），零件應(yīng)力分析（PSA）或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)證明，通過(guò)幾種方式預(yù)測(cè)和量化可靠性。這些量化可靠性的方法中的每一種對(duì)于電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都有特定的用途。PCA需要少的數(shù)據(jù)，通常在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用。PCA分析僅根據(jù)物料清單和預(yù)期用途得出估算的產(chǎn)品故障率λP，從而可以計(jì)算仍在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的MTBF：λP=（ΣNCλC）（1 + 0.2πE）πFπQπL（公式來(lái)源：RECOM）

其中：

NC =零件數(shù)（每種組件類(lèi)型）

λC=從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取的每個(gè)零件的故障率

πE=特定于應(yīng)用的環(huán)境壓力因子

πF=混合函數(shù)應(yīng)力c通過(guò)組件交互

πQ=標(biāo)準(zhǔn)零件或預(yù)篩選零件的篩選水平

πL=成熟因子是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)還是新方法

為使用的每個(gè)組件計(jì)算PCA，并通過(guò)將所有單個(gè)預(yù)測(cè)相加得出總可靠性預(yù)測(cè)。

用于簡(jiǎn)單DC / DC轉(zhuǎn)換器的PCA可靠性分析。（表：RECOM）

MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲線(xiàn)擬合從現(xiàn)場(chǎng)操作和測(cè)試獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供恒定故障率模型。像PCA分析一樣，PSA模型具有恒定的基本故障率，該故障率由環(huán)境，溫度，應(yīng)力，質(zhì)量和其他因素決定。但是PSA方法假定沒(méi)有對(duì)一般恒定故障率的修正。盡管它廣泛適用于板載DC / DC轉(zhuǎn)換器等器件，但MIL-HDBK-217方法初旨在提供零件的結(jié)果，而不是設(shè)備或子系統(tǒng)的結(jié)果。

MIL-HDBK-217和Telcordia SR-332的主要概念相似，但是Telcordia SR-332還具有合并老化、現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)的能力，可用于貝葉斯分析方法。貝葉斯推斷是一種統(tǒng)計(jì)推斷的方法，其中隨著更多證據(jù)或信息的獲得，貝葉斯被用于更新假設(shè)的概率。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

DC / DC轉(zhuǎn)換器故障率分析的重點(diǎn)是工作溫度，輸入電壓和輸出功率，以估算整體應(yīng)力。良好的熱管理是使用板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可靠系統(tǒng)的重要方面。良好的熱管理始于了解轉(zhuǎn)換器的效率如何影響系統(tǒng)性能。采用更高限額的產(chǎn)品始終是一個(gè)好習(xí)慣。標(biāo)稱(chēng)性能規(guī)格并非始終是選擇。與其查看典型額定值，不如查看情況的額定值，特別是為了提高效率，通常是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。

用諸如上圖所示的管腳兼容的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器代替線(xiàn)性穩(wěn)壓器可顯著提高效率，減少熱量并有助于提高可靠性。圖片：RECOM

效率通常是在25°C時(shí)的，但對(duì)于在較高溫度下運(yùn)行的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很常見(jiàn)的。隨著溫度升高，功率半導(dǎo)體和電路板走線(xiàn)的損耗會(huì)增加。銅的溫度系數(shù)為+ 0.393％/°C。如果溫度比室溫高1°C，電阻將增加0.393％。轉(zhuǎn)換器效率隨輸入電壓而變化，并隨輸入與標(biāo)稱(chēng)電壓的變化而降低。

結(jié)果，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行熱成像對(duì)于識(shí)別熱點(diǎn)和其他關(guān)注區(qū)域是必要的。通過(guò)熱映射，可以針對(duì)特定的操作環(huán)境設(shè)計(jì)正確的熱管理系統(tǒng)。它有助于確定系統(tǒng)運(yùn)行期間需要監(jiān)視（測(cè)量）的區(qū)域。熱映射還可以識(shí)別點(diǎn)熱源，例如線(xiàn)性穩(wěn)壓器，可能需要用效率更高的板載DC / DC轉(zhuǎn)換器（例如，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器）代替。

盡管熱管理是主要考慮因素，但不應(yīng)忽視輸入電壓的特性。在臨界值的高線(xiàn)或低線(xiàn)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)降低可靠性，而輸入端的浪涌，尖峰和靜電放電（ESD）也會(huì)降低產(chǎn)品性能和壽命。在轉(zhuǎn)換器的輸入端使用保護(hù)裝置可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

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