引言

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率和功率損耗是許多電子系統(tǒng)的一個重要特征參數(shù)。可以測量出這些特征參數(shù)，并用下面的直觀方式進行表達：

　　效率 = 輸出功率 / 輸入功率         (1)

　　功率損耗 = 輸入功率-輸出功率   (2)

　　但是對于每個元器件做為一個單獨熱源在損耗中所占的比重，這樣的結(jié)果沒有提供任何信息。而我們的方法學能讓設計者更好地選擇針對其應用的最佳DC-DC實現(xiàn)方案。

　　降壓轉(zhuǎn)換器的實例

　　降壓轉(zhuǎn)換器中的主要熱源是高邊MOSFET、低邊MOSFET和電感器。如果我們使用電工學方法來判定高邊MOSFET的功率損耗，那么就必須測量漏極電流、漏源電壓、柵極電流和柵源電壓。不幸的是，如果不在電流路徑中引入額外的電感和干擾電路的正常工作，要在高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器中測得這些數(shù)據(jù)是非常困難的。但借助熱成像攝像機，我們研究出一種求解每個熱源功率損耗的新方法，而且不會影響電路的工作。

　　新方法的基本原理

　　在一個電路中，將電能轉(zhuǎn)換為熱能的元器件是熱源。能量轉(zhuǎn)換成熱會增加熱源器件的和周圍環(huán)境的溫度。轉(zhuǎn)變成熱的能量就是元器件的功率損耗。整個溫升(?T)取決于功率損耗(P)和環(huán)境。對于一個在固定測試臺上的某塊PCB板，?T是功率損耗的唯一函數(shù)。因此，如果我們測量出?T，就可以推導計算每個熱源功率損耗的方法。

　　基本原理的推導

　　為簡單起見，假設在PCB板上有兩個熱源(HS1和HS2)。HS1工作時不但使其自身的表面溫度會升高，也會提高HS2的表面溫度，對HS2來說也是如此。因此，每個熱源的最終?T可以用下面的等式來表示。

• S_{ij (i, j = 1,2)}是熱敏感度系數(shù)，與熱阻的度數(shù)相同
• P_i是每個熱源的功率損耗

　　等式(3)也可以擴展到N個熱源的情況。在這種情況下，每個熱源的溫升可以由下式給出。

　　如果我們知道S的數(shù)值，就可以由下式得到每個熱源的功率損耗。

　　假設S_ij與溫度或電路的工作狀態(tài)無關(guān)，那么就可以由等式6確定每個S_ij。

　　這里，DT_i是第i個熱源的溫升，P_j是第j個熱源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。

　　每次我們都使用簡單的直流技術(shù)給一個熱源供電，這樣就可以以非侵入式方式測量熱敏感度的系數(shù)。我們對被測器件(IC，MOSFET和電感器)施加直流電壓和電流，迫使器件開始消耗能量，然后測出P_j。然后我們使用熱成像攝像機測量表面溫度的?T_i，接著就可以用上面的等式(6)計算出S_ij。

　　我們使用了新的方法學計算兩個降壓拓撲的主熱源：一個使用SiC739D8 DrMOS IC的集成式功率級，和一個使用兩個MOSFET的分立式功率級，在分立式功率級中，Si7382DP在高邊，Si7192DP在低邊。

　　A.集成式降壓轉(zhuǎn)換器

　　圖1顯示了用于集成式降壓轉(zhuǎn)換器的EVB前端。這里有4個熱源：電感器（HS1），驅(qū)動IC（HS2），高邊MOSFET（HS3）和低邊MOSFET（HS4）。SiC739 DrMOS是一個單芯片解決方案，其內(nèi)部包含的HS2、HS3和HS4靠得非常近。由于這里有4個熱源，因此S是一個4x4矩陣。

　　圖2顯示了當?shù)瓦匨OSFET的體二極管是前向偏置時(AR0x Avg. => HSx)，4個熱源的溫度。

　　測得的電流I4和電壓V4分別是2.14A和0.6589V。

　　使用公式（7）中的溫度信息，我們可以得到S_i4，（i=1，2，3，4）

　　重復上述過程，可以得到如下的S矩陣。

　　然后解出S^-1,

　　試驗結(jié)果：集成式降壓轉(zhuǎn)換器

　　現(xiàn)在我們可以給SiC739 EVB上電，并使用等式（5）和（11）來計算每個熱源的功率損耗。

　　根據(jù)測試結(jié)果和等式 (2):

　　P₁ + P₃ + P₄ = 1.538W

　　新方法給出的結(jié)果是:

　　熱學方法和電工學方法之間的結(jié)果差異是由小熱源造成的，如PCB印制線和電容器的ESR。

　　分立式降壓轉(zhuǎn)換器

　　使用上述步驟和圖3，我們獲得了分立式方案的S矩陣，不過沒有考慮驅(qū)動IC的功率。

　　使用上面圖4提供的信息，我們可以得到在Vin = 12V, Vo =1.3V, Io = 8A, Fs = 1MHz條件下的功率損耗。

　　P₁ = 0.228W, 電感器

　　P₂ = 0.996W, 高邊 MOSFET

　　P₃ = 0.789W, 低邊 MOSFET

　　比較等式（18）和等式（22），我們發(fā)現(xiàn)，由于兩個電路使用相同的電感器，兩個電路具有同樣的電感器損耗，這個結(jié)果和我們預想的一樣。盡管分立方案中低邊和高邊MOSFET的r_DS(on)比集成式方案MOSFET的r_DS(on)分別小23％和28％，集成式降壓解決方案的損耗仍然比分立式降壓方案的損耗要低。

　　我們可以認定，集成式方案的頻率更低，而頻率則與功率損耗相關(guān)。

　　總結(jié)和結(jié)論

　　測量高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器功率損耗的新方法使用了直流功率測試，和一個熱成像攝像機來測量PCB板上每個熱源的表面溫度。用新方法測得的功率損耗與用電工學方法測得的結(jié)果十分接近。新方法可以很容易地區(qū)分出象MOSFET這樣的主熱源，和象PCB印制線及電容器的ESR這樣的次熱源的功率損耗。試驗結(jié)果表明，由于在低頻下工作時的損耗小，高頻集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器的整體功率損耗比分立式DC-DC轉(zhuǎn)換器要低。