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測量高頻開關DC-DC轉換器中熱應力器件功率耗散的新方法
摘要: 測量高頻DC-DC轉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果十分接近。新方法可以很容易地區分出象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
Abstract:
Key words :

  引言

  DC-DC轉換器的效率和功率損耗是許多電子系統的一個重要特征參數。可以測量出這些特征參數,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實現方案。

  

  降壓轉換器的實例

  降壓轉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轉換器中測得這些數據是非常困難的。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,將電能轉換為熱能的元器件是熱源。能量轉換成熱會增加熱源器件的和周圍環境的溫度。轉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。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。

  

  (3)(3)

  • Sij (i, j = 1,2)是熱敏感度系數,與熱阻的度數相同
  • Pi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。

  

 (4) (4)

   S是一個N x N的矩陣

  如果我們知道S的數值,就可以由下式得到每個熱源的功率損耗。

  

  (5)(5)

  

  假設Sij與溫度或電路的工作狀態無關,那么就可以由等式6確定每個Sij

  

  (6)(6)

  這里,DTi是第i個熱源的溫升,Pj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。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Pj。然后我們使用熱成像攝像機測量表面溫度的?Ti,接著就可以用上面的等式(6)計算出Sij

  

  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.集成式降壓轉換器

  

圖1顯示了用于集成式降壓轉換器的EVB前端

  圖1顯示了用于集成式降壓轉換器的EVB前端。這里有4個熱源:電感器(HS1),驅動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顯示了當低邊MOSFET的體二極管是前向偏置時(AR0x Avg. => HSx),4個熱源的溫度。

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

  

  如果 TA 為 23.3 ?C,那么,

  (7)

  (7)

  

  測得的電流I4和電壓V4分別是2.14A和0.6589V。

  P4 = I4´V4 = 1.41W

  

  (8)

  使用公式(7)中的溫度信息,我們可以得到Si4,(i=1,2,3,4)

  S14 = 5.82

  S24 = 9.29

  S34 = 9.5

  S44 = 16.2

  (9 )

 

 

  

  重復上述過程,可以得到如下的S矩陣。

  

 (10) (10)

  然后解出S-1,

  

  (11)(11)

  試驗結果:集成式降壓轉換器

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

  

  P1 = 0.224W, 電感器

  P2 = 0.431W, 驅動 IC

  P3 = 0.771W, 高邊MOSFET

  P4 = 0.512W, 低邊 MOSFET

  (12)

  

  根據測試結果和等式 (2):

  P1 + P3 + P4 = 1.538W

  

  新方法給出的結果是:

  P1 + P3 + P4 = 1.507W

  (13)

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

  

  分立式降壓轉換器

  

使用上述步驟和圖3

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

  (14, 15)

  

  (16)(16)

  

  

  (17)(17)

  

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。

  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),我們發現,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,這個結果和我們預想的一樣。盡管分立方案中低邊和高邊MOSFET的rDS(on)比集成式方案MOSFET的rDS(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。

  總結和結論

  測量高頻DC-DC轉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果十分接近。新方法可以很容易地區分出象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。試驗結果表明,由于在低頻下工作時的損耗小,高頻集成式DC-DC轉換器的整體功率損耗比分立式DC-DC轉換器要低。

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