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基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)

发布时间:2021-01-20 责任编辑:lina

【导读】前面在《基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)》中了解了一部分DC/DC转换器的规格说明以及EMC/EMI的相关知识,接下来我们继续了解一下DC/DC转换器的热管理及热分析,还有出现是故障率及其可靠性。
 
前面在《基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(一)》中了解了一部分DC/DC转换器的规格说明以及EMC/EMI的相关知识,接下来我们继续了解一下DC/DC转换器的热管理及热分析,还有出现是故障率及其可靠性。
 
一、热管理及热分析
 
系统级热设计对于DC / DC转换器的电气规格同样重要。越来越多的分布式电源架构(DPA)使用增加了热设计的复杂性。单个多路输出AC / DC电源用于在常规电源架构中为各种负载供电。集中式电源的使用集中了电源转换过程的散热,从而实现了直接的散热设计。
 
在DPA中,单输出AC / DC电源产生相对较高的分配电压(例如12VDC或48VDC),并通过多个非隔离式降压DC / DC转换器为低压负载供电。 DPA体系结构将功率转换过程的散热散布在整个系统中,并使散热设计复杂化。使用DPA的好处是可以包括较小的总体解决方案尺寸,更高的效率和更低的成本。
 
DC / DC转换器选择注意事项
 
效率通常被认为是最重要的规范。效率对热管理有重大影响。因此,使用高效的DC / DC转换器非常重要。但并不是那么简单。效率通常是在满载条件下指定的,而DC / DC转换器通常会降额使用,并且工作功率低于满功率,以提高系统可靠性。而且系统通常不会一直在最大功率下运行。事实证明,为给定应用选择最高效的转换器并不像初次看起来那样简单。了解系统工作条件后,设计人员可以选择效率特性符合系统需求的DC / DC转换器。
 
此外,DPA中使用的降压转换器具有多种设计,每种设计都有不同的效率权衡。例如,在高负载下,同步降压转换器比非同步降压转换器效率更高。但是最佳选择取决于系统的运行特性。与同步设计相比,非同步降压在轻载条件下通常更为有效。在大量时间在低功率水平下运行且仅偶尔需要峰值功率的系统中,非同步降压可以提供更高的整体运行效率。由于其设计更简单,因此非同步降压的成本更低,并且更可靠。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
额定12V输入和1.5V输出的同步和非同步DC / DC转换器的效率比较。图片:德州仪器(Texas Instruments)
 
在要求最高效率的系统中,新兴的半导体材料(例如氮化镓(GaN))的使用可以提供更高的效率和更小的尺寸。GaN是一种宽带隙材料,具有比传统硅更高的导电性。与硅器件相比,GaN晶体管更小,具有相同导通电阻的较低电容。零QRR可减少高频损耗。GaN的开关性能可实现更高的功率密度,更高的频率,更高的开关精度,更高的总线电压和更少的电压转换损耗。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
硅与氮化镓(GaN)的48V至12V DC / DC转换器的效率比较。 (图片:EPC)
 
在散热设计和散热能力方面,并非所有板上安装的DC / DC转换器都相同。有些在绝缘金属基板上构建,以增强热性能。有些包含用于改善导热性的散热孔,有些则开始使用3D封装,该封装使用堆叠的,嵌入式的或平面的组件显着减小尺寸。
 
减小物理尺寸不仅增加了功率密度,而且减少了寄生效应和较小的电流环路,这意味着,即使使用MHz的开关频率,也可以将EMI控制好。权衡使热管理可能变得更加复杂。DC-DC转换器的整体温度性能在很大程度上取决于最终应用。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
随着不断受限的电路板空间中性能的提高,需要诸如3D电源封装之类的技术进步来确保功耗不会迅速增加。否则,性能极限将取决于温度,而不是设计的最大功率。图片:RECOM
 
系统热分布
 
热量管理始于在设计阶段通过系统热分布图测量工作温度来识别发热点和其他重点区域。对于特定的操作环境而言,热图对于实现正确的热管理系统设计是必需的。它有助于确定系统运行期间需要监视(测量)的区域。
 
如果使用红外(IR)摄像机进行的热成像表明一个或多个热点PCB的温度高于预期温度,这可能表明存在问题。重要的是要考虑到靠近较高热量附近的组件;他们可能会经历长期的老化影响。为了检测热点,需要足够的几何分辨率。只有通过足够数量的像素才能很好分辨的细节以及正确测量。因此,高分辨率红外摄像机系统是在系统开发过程中使用的不错选择。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
在产品开发过程中,通常将高分辨率红外摄像头系统用于热成像。图片:InfraTec
 
与热电偶或点测高温计不同,高分辨率红外热像仪可以在系统和设备上获取准确的温度读数。而且散热设计并非一成不变。在不断变化的系统运行状况下,整个系统的散热通常会变化(有时会迅速变化)。一些红外热像仪可以记录高速数据,并具有表征快速热瞬态和稳态热条件所需的灵敏度和空间分辨率。
 
监控热性能
 
内置热关断功能通常用于板装DC / DC转换器,连续监控转换器的工作温度通常非常有用,以下是可用于热监控的组件的两个示例。
 
热敏电阻是随温度变化的电阻,通常由导电材料制成,例如金属氧化物陶瓷或聚合物。最常见的热敏电阻的电阻温度系数(NTC)为负,通常称为NTC。使用NTC需要信号调理。热敏电阻通常与分压器中的固定值电阻器一起使用,其输出使用模数转换器(ADC)进行数字化。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
显示热敏电阻如何与ADC接口的基本电路。电阻R1和热敏电阻形成一个分压器,其输出电压取决于温度。 (图片:Maxim)
 
 
温度传感器IC利用PN结的热特性。由于它们是使用常规半导体工艺构建的有源电路,因此它们可以采用多种形式,并具有多种功能(例如数字接口,ADC输入和风扇控制功能)。温度传感器IC的工作温度范围从-55°C到+ 125°C,一些器件的工作温度上限约为+ 150°C。
 
二、故障率及可靠性
 
板载DC / DC转换器的可靠性对于理解和量化非常重要。它是随时间变化的系统或设备故障发生频率的度量。可靠性是观察到的故障率,它定义为两次故障之间的时间(以小时为单位),称为平均故障间隔时间(MTBF),或者直到第一次故障之间的时间(也以小时为单位),称为平均故障间隔时间(MTTF)。有时,可靠性是通过MTBF数字的倒数(基于109小时)来量化的,称为时间失败单位(FIT):FIT = 109 / MTBF。
 
每个设备都有一个故障率λ,它是每单位时间发生故障的单元数——故障率在设备的整个生命周期中以可预测的方式变化。当绘制为故障率与时间的关系时,通常称为可靠性浴盆曲线。它显示了早期故障率的总和,以及产品整个生命周期中的恒定(随机)故障率,再加上寿命终止时的磨损率。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
浴盆曲线用于说明观察到的电子系统故障率。图片:维基百科
 
在产品寿命的第一阶段,由于材料缺陷或制造错误(未在最终测试和检查中发现)而导致所谓的失效,因此故障率不断下降,λ下降。板装式DC / DC转换器的大多数失效发生在运行的最初24小时内。
 
在电子产品中,Arrhenius方程用于确定在给定温度下工作组件的预计寿命。它适用于化学方法,可测量与温度有关的反应速率,并观察到将温度降低10°C将使产品可靠性提高一倍。相反,提高工作温度会加快电子设备的故障率。
 
Arrhenius方程是电子设备和系统失效的理由。例如,刚制造的DC / DC转换器在老化室内在满负荷和高温下运行约4小时,可以消除许多早期失效现象。通常使用40或50°C进行老化,有时会进一步使用较高的温度和较高的湿度。高可靠性DC / DC转换器通常会进行24小时老化。
 
在产品和系统开发过程中,用于高度加速寿命测试(HALT)和高度加速应力筛选(HASS)的加速应力测试系统会发现产品设计的弱点。执行HALT和HASS可以最大限度地提高实验室效率,同时降低与保修和召回相关的成本,从而提高产品可靠性。HALT和HASS使用温度和振动应力来消除设计问题,开发出更可靠的产品并筛除早期产品故障问题。HALT和HASS决定了产品的运行和破坏极限,因为在对产品施加压力的同时对其进行了功能测试并不断监测其故障。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
HALT和HASS测试箱用于产品开发和产品测试。图片:Thermotron
 
在大多数DC / DC转换器的使用周期中,除了初始故障率之外,它们会经历恒定的故障率λ,并且可靠性曲线基本上是平坦的。恒定故障率持续的时间取决于各种因素,例如应用环境的固有应力,所用组件的质量,DC / DC转换器的制造质量等等。随着在产品使用寿命到期时的磨损过程中,故障率会不断提高。
 
预测可靠性
 
预测可靠性的两个最常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性预测程序SR-332。这些和其他可靠性预测部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217最初是由美国军方开发的,可产生MTBF和MTTF数据,而Telcordia SR-332是为电信行业开发的,可产生FIT数据。当前,MIL-HDBK-217是使用最广泛的可靠性计算方法。
 
可以使用零件计数分析(PCA),零件应力分析(PSA)或通过现场数据证明,通过几种方式预测和量化可靠性。这些量化可靠性的方法中的每一种对于电力系统设计人员都有特定的用途。PCA需要最少的数据,通常在产品开发过程中使用。PCA分析仅根据物料清单和预期用途得出估算的产品故障率λP,从而可以计算仍在设计的产品的MTBF:λP=(ΣNCλC)(1 + 0.2πE)πFπQπL(公式来源:RECOM)
 
其中:
NC =零件数(每种组件类型)
λC=从数据库中获取的每个零件的故障率
πE=特定于应用的环境压力因子
πF=混合函数应力c通过组件交互
πQ=标准零件或预筛选零件的筛选水平
πL=成熟因子是经过验证的设计还是新方法
 
为使用的每个组件计算PCA,并通过将所有单个预测相加得出总可靠性预测。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
用于简单DC / DC转换器的PCA可靠性分析。(表:RECOM)
 
MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲线拟合从现场操作和测试获得的经验数据,提供恒定故障率模型。像PCA分析一样,PSA模型具有恒定的基本故障率,该故障率由环境,温度,应力,质量和其他因素决定。但是PSA方法假定没有对一般恒定故障率的修正。尽管它广泛适用于板载DC / DC转换器等器件,但MIL-HDBK-217方法最初旨在提供零件的结果,而不是设备或子系统的结果。
 
MIL-HDBK-217和Telcordia SR-332的主要概念相似,但是Telcordia SR-332还具有合并老化、现场和实验室测试数据的能力,可用于贝叶斯分析方法。贝叶斯推断是一种统计推断的方法,其中随着更多证据或信息的获得,贝叶斯被用于更新假设的概率。
 
系统设计注意事项
 
DC / DC转换器故障率分析的重点是工作温度,输入电压和输出功率,以估算整体应力。良好的热管理是使用板上安装的DC / DC转换器设计可靠系统的最重要方面。良好的热管理始于了解转换器的效率如何影响系统性能。采用更高限额的产品始终是一个好习惯。标称性能规格并非始终是最佳选择。与其查看指定的典型额定值,不如查看最坏情况的额定值,特别是为了提高效率,通常是一个不错的起点。
 
基于DC-DC转换器的选型及设计详细指南(二)
用诸如上图所示的管脚兼容的开关稳压器代替线性稳压器可显着提高效率,减少热量并有助于提高可靠性。图片:RECOM
 
效率通常是在25°C时指定的,但对于在较高温度下运行的系统来说是很常见的。随着温度升高,功率半导体和电路板走线的损耗会增加。铜的温度系数为+ 0.393%/°C。如果温度比室温高1°C,电阻将增加0.393%。转换器效率随输入电压而变化,并随输入与标称电压的变化而降低。
 
结果,在系统开发过程中进行热成像对于识别热点和其他关注区域是必要的。通过热映射,可以针对特定的操作环境设计正确的热管理系统。它有助于确定系统运行期间需要监视(测量)的区域。热映射还可以识别点热源,例如线性稳压器,可能需要用效率更高的板载DC / DC转换器(例如,开关稳压器)代替。
 
尽管热管理是主要考虑因素,但不应忽视输入电压的特性。在临界值的高线或低线下长时间运行会降低可靠性,而输入端的浪涌,尖峰和静电放电(ESD)也会降低产品性能和寿命。在转换器的输入端使用保护装置可以大大提高系统的可靠性。
 
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