一種求解每個(gè)熱源功率損耗的新方法

一  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(gè)重要特征參數(shù)?？梢詼y(cè)量出這些特征參數(shù)，并用下面的直觀方式進(jìn)行表達(dá)：

　　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(duì)于每個(gè)元器件做為一個(gè)單獨(dú)熱源在損耗中所占的比重，這樣的結(jié)果沒(méi)有提供任何信息。而我們的方法學(xué)能讓設(shè)計(jì)者更好地選擇針對(duì)其應(yīng)用的最佳DC-DC實(shí)現(xiàn)方案。

二  降壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)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(xué)方法來(lái)判定高邊MOSFET的功率損耗，那么就必須測(cè)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(cè)得這些數(shù)據(jù)是非常困難的。但借助熱成像攝像機(jī)，我們研究出一種求解每個(gè)熱源功率損耗的新方法，而且不會(huì)影響電路的工作。

三  新方法的基本原理

　　在一個(gè)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(huì)增加熱源器件的和周?chē)h(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(gè)溫升（？T）取決于功率損耗（P）和環(huán)境。對(duì)于一個(gè)在固定測(cè)試臺(tái)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(cè)量出？T，就可以推導(dǎo)計(jì)算每個(gè)熱源功率損耗的方法。

四  基本原理的推導(dǎo)

　　為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)在PCB板上有兩個(gè)熱源（HS1和HS2）。HS1工作時(shí)不但使其自身的表面溫度會(huì)升高，也會(huì)提高HS2的表面溫度，對(duì)HS2來(lái)說(shuō)也是如此。因此，每個(gè)熱源的最終？T可以用下面的等式來(lái)表示。

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

　　Pi是每個(gè)熱源的功率損耗

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

　　S是一個(gè)N x N的矩陣

　　如果我們知道S的數(shù)值，就可以由下式得到每個(gè)熱源的功率損耗。

　　假設(shè)Sij與溫度或電路的工作狀態(tài)無(wú)關(guān)，那么就可以由等式6確定每個(gè)Sij。

　　這里，DTi是第i個(gè)熱源的溫升，Pj是第j個(gè)熱源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。[!--empirenews.page--]

　　每次我們都使用簡(jiǎn)單的直流技術(shù)給一個(gè)熱源供電，這樣就可以以非侵入式方式測(cè)量熱敏感度的系數(shù)。我們對(duì)被測(cè)器件（IC，MOSFET和電感器）施加直流電壓和電流，迫使器件開(kāi)始消耗能量，然后測(cè)出Pj。然后我們使用熱成像攝像機(jī)測(cè)量表面溫度的？Ti，接著就可以用上面的等式（6）計(jì)算出Sij。

　　我們使用了新的方法學(xué)計(jì)算兩個(gè)降壓拓?fù)涞闹鳠嵩矗阂粋€(gè)使用SiC739D8 DrMOS IC的集成式功率級(jí)，和一個(gè)使用兩個(gè)MOSFET的分立式功率級(jí)，在分立式功率級(jí)中，Si7382DP在高邊，Si7192DP在低邊。

　　A.集成式降壓轉(zhuǎn)換器

圖1

　　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(gè)熱源：電感器（HS1），驅(qū)動(dòng)IC（HS2），高邊MOSFET（HS3）和低邊MOSFET（HS4）。SiC739 DrMOS是一個(gè)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(gè)熱源，因此S是一個(gè)4x4矩陣。

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

　　如果 TA 為 23.3 ?C，那么，

（8）

　　測(cè)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            （9）

　　S24 = 9.29

　　S34 = 9.5

　　S44 = 16.2

    重復(fù)上述過(guò)程，可以得到如下的S矩陣。

然后解出S^-1,

　　試驗(yàn)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(lái)計(jì)算每個(gè)熱源的功率損耗。

　　P1 = 0.224W, 電感器           （12）

　　P2 = 0.431W, 驅(qū)動(dòng) IC

　　P3 = 0.771W, 高邊MOSFET

　　P4 = 0.512W, 低邊 MOSFET[!--empirenews.page--]

　　根據(jù)測(cè)試結(jié)果和等式 （2）：

　　P1 + P3 + P4 = 1.538W

　　新方法給出的結(jié)果是：

　　P1 + P3 + P4 = 1.507W         （13）

　　熱學(xué)方法和電工學(xué)方法之間的結(jié)果差異是由小熱源造成的，如PCB印制線(xiàn)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(guò)沒(méi)有考慮驅(qū)動(dòng)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(gè)電路使用相同的電感器，兩個(gè)電路具有同樣的電感器損耗，這個(gè)結(jié)果和我們預(yù)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(rèn)定，集成式方案的頻率更低，而頻率則與功率損耗相關(guān)。

五  總結(jié)和結(jié)論

　　測(cè)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(cè)試，和一個(gè)熱成像攝像機(jī)來(lái)測(cè)量PCB板上每個(gè)熱源的表面溫度。用新方法測(cè)得的功率損耗與用電工學(xué)方法測(cè)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(xiàn)及電容器的ESR這樣的次熱源的功率損耗。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于在低頻下工作時(shí)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。