本文為第一部分，將首先描述用于執(zhí)行測(cè)量的設(shè)置、測(cè)試板的簡(jiǎn)要概述以及用于實(shí)驗(yàn)的各種散熱片。測(cè)試結(jié)果將在后續(xù)的文章中介紹并總結(jié)在設(shè)計(jì)高輸出功率預(yù)調(diào)節(jié)器時(shí)使用散熱片的效果。

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插播一條研討會(huì)直播預(yù)告

USB PD3.1快充的最新標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)至240W額定功率，最高48V電壓輸出，大幅擴(kuò)展USB在電源和電池充電器方面的應(yīng)用。此在線研討會(huì)將檢視 USB 負(fù)載如何傳遞信息于 USB 電源，以設(shè)置電壓水平和最大電流，同時(shí)亦會(huì)展示安森美 (onsemi)USB 產(chǎn)品系列的解決方案。

• 關(guān)鍵要點(diǎn)

1.檢視最新USB標(biāo)準(zhǔn)，將功率擴(kuò)展至240W和48V。

2.安森美USB電源解決方案。

直播主題

USB PD3.1 升級(jí)電源和電池充電器應(yīng)用

專家介紹

Bright Yang

安森美應(yīng)用工程師

Bright Yang負(fù)責(zé)安森美USB PD電源產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及推廣，擁有超過(guò)二十年的電子開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，精通通信以及USB電源產(chǎn)品的軟硬件及系統(tǒng)架構(gòu)。

圖 1 描述了用于測(cè)試板熱評(píng)估的設(shè)置，包括以下儀器

電流從電源 OUT 端口流向功率分析儀輸入電流端口I1-IN，功率分析儀在此進(jìn)行測(cè)量。然后它通過(guò) I1-OUT 從功率分析儀流出到被測(cè)器件(DUT)的 VIN 端口。電源分析儀 V1 連接到DUT VIN 端口以測(cè)量輸入電壓。電源的 GND 連接到 DUT 和功率分析儀的 GND。

在輸出側(cè)，電流從 DUT VOUT 端口流向功率分析儀輸入電流端口I2-IN，功率分析儀在此處進(jìn)行測(cè)量。然后它通過(guò)I2-OUT 從功率分析儀流出到直流電子負(fù)載的 CH1 端口，這里設(shè)置了DUT 負(fù)載電流。功率分析儀 V2 連接到 DUT VOUT 端口以測(cè)量輸出電壓。功率分析儀的GND 連接到 DUT 和直流電子負(fù)載的 GND。

該電源具有傳感功能，可保持提供給 DUT 的電壓恒定 (補(bǔ)償電纜損耗)，并在傳感器線路出現(xiàn)斷路時(shí)保護(hù)敏感負(fù)載。數(shù)據(jù)記錄器會(huì)測(cè)量 DUT 上不同 IC 組件的溫度。

圖2 軟件 GUI

為了評(píng)估不同散熱片的性能和影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于 100 W 汽車預(yù)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的專用板，且針對(duì)熱評(píng)估進(jìn)行了優(yōu)化。圖3 顯示了具有 5V 輸出電壓和高達(dá) 20 A輸出電流能力的同降壓壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。汽車降壓控制器 NCV881930 具有 410 kH 的固定開(kāi)關(guān)頻率。它驅(qū)動(dòng)兩個(gè)符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 40 V MOSFET NVMFS5C460NL(帶底面裸露焊盤的 SO-8FL)，它們并聯(lián)在降壓轉(zhuǎn)換器的高邊 (HS) 和低邊(LS)，以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20 A 的高輸出電流。

對(duì)布局進(jìn)行以下修改，可以對(duì)電路板進(jìn)行熱評(píng)估：

圖4 DUT頂面

從機(jī)械角度來(lái)看，將散熱片正確且可更換地安裝到 PCB 上是最具挑戰(zhàn)性的部分。對(duì)于任何配置，在散熱片和散熱表面之間必須有一個(gè)薄膜間隙墊，以實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)熱性。發(fā)射表面(如PCB 或 MOSFET 的封裝)從來(lái)都不是完全平坦和平行于散熱片的，因此間隙墊確保了兩者之間良好的層狀界面。材料選擇起著重要作用，顯著影響熱性能。例如，一個(gè)需要承受高電壓的材料的熱阻總是比基于石墨的導(dǎo)電材料高得多。

對(duì)于本測(cè)試設(shè)置，選擇了厚度為 0.5 mm 的 KERAFOL“SOFTTHERM”材料，請(qǐng)參見(jiàn)表 2。所有測(cè)量均使用 3.0 W/(m·K) 材料進(jìn)行，其熱阻為 0.41 KW。6.0 W/(m·K) 材料(熱阻為 0.20 KW) 僅在本白皮書未尾用于兩種材料的比較。

用于連接散熱片的扭矩也會(huì)影響熱阻抗。通常，壓縮越高，熱阻越低。這是因?yàn)閴嚎s降低了整體厚度并增加了材料的密度。這兩個(gè)因素都提高了導(dǎo)熱性。厚度為 5 mm 的 86/300 SOFTTHERM 材料在零壓下的熱阻為 4.1 KW。30 N/cm² 的壓力會(huì)使厚度變?yōu)?3.7 mm，熱阻降低到 3.0 KW。這種材料的最薄版本厚度為 0.5 mm。在這種情況下，當(dāng)施加 30 Ncm的最大壓力時(shí)，材料可以壓縮到 0.3 mm。同時(shí)，熱阻從 0.4 K/W 下降到 0.25 KW。壓力過(guò)高會(huì)損壞薄膜間隙墊，例如導(dǎo)致泄漏。例如，對(duì)于 86/300 SOFTTHERM，壓縮量不應(yīng)超過(guò)原始厚度的 30%。

對(duì)于本測(cè)試設(shè)置，壓力的絕對(duì)值不是必需的，只要過(guò)高的扭矩或壓力不會(huì)損壞薄膜間隙墊和機(jī)械設(shè)置即可。最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，用于每個(gè)散熱片和每種設(shè)置的壓力必須是相同的;否則，結(jié)果將無(wú)法比較。如前所述，壓力和熱阻之間的關(guān)系清楚地表明壓力會(huì)顯著影響整個(gè)系統(tǒng)的熱性能。考慮厚度為 0.5 mm 的薄膜間隙墊，從 30 N/cm² 的最大壓力降到零壓力后，熱阻增加 60%。

一種相對(duì)簡(jiǎn)單但可靠的設(shè)置是基于彈簧的，它通常用于在計(jì)算機(jī) CPU 上安裝散熱片。在這種機(jī)械設(shè)置中，螺釘將彈簧固定到位，將散熱片壓到 CPU 的頂面。壓力取決于彈簧的彈力,而不是螺釘?shù)呐ぞ兀驗(yàn)樗鼈儾粫?huì)對(duì)散熱片或 CPU 施加壓力。

圖6顯示了將散熱片安裝到 PCB 上的設(shè)置。電感器和 MOSFET 位于底面，熱量通過(guò) PCB散發(fā)到散熱片。在 PCB 的熱點(diǎn)周圍放置了無(wú)數(shù)的過(guò)孔，以降低 PCB 的熱阻，改善 PCB 中的垂直熱流。散熱片和 PCB 之間的薄膜間隙墊可以使任何粗糙和不均勻的表面變平整，以最大限度地減少熱阻。散熱片具有用于將散熱片和彈簧固定到位的螺釘?shù)穆菁y。彈簧由螺釘輕輕預(yù)壓，使散熱片壓在 PCB 上。彈簧被壓縮的長(zhǎng)度與其彈力成正比，所有四個(gè)彈簧都需要具有相同的長(zhǎng)度才能為每個(gè)固定點(diǎn)施加相同的壓力。對(duì)每個(gè)設(shè)置使用相同的彈簧長(zhǎng)度和機(jī)械力可確?？蓮?fù)現(xiàn)和可比較的結(jié)果。

選擇它們的原因是，在給定各自高度的情況下，它們各自的熱阻之間存在顯著差異。隨著每次高度的增加，熱阻大約減小二分之一。這應(yīng)有助于清楚地區(qū)分不同散熱片的熱性能。

輸出功率

輸入功率

總損耗

分流損耗

電感損耗

高邊 MOSFET 導(dǎo)通損耗

低邊 MOSFET 導(dǎo)通損耗

肖特基二極管的死區(qū)時(shí)間損耗

在從高邊到低邊 MOSFET 的電流轉(zhuǎn)換期間(反之亦然)，所有 MOSFET 都關(guān)閉一段特定的時(shí)間，稱為“死區(qū)時(shí)間”。在此短時(shí)間內(nèi) (典型值為 20 ns)，電流流過(guò)低邊 MOSFET 的體極管。如果將額外的肖特基二極管與低邊 MOSFET 并聯(lián)放置，則死區(qū)期間的電流會(huì)流過(guò)肖特基二極管，因?yàn)樗恼螂妷?典型值為 0.485 V) 低于體二極管 (典型值為 0.86 V)。使用肖特基二極管的另一個(gè)主要好處是避免體二極管的反向恢復(fù)損耗，因?yàn)樾ぬ鼗O管沒(méi)有反向恢復(fù)損耗。由于正向壓降導(dǎo)致的死區(qū)時(shí)間損耗出現(xiàn)在肖特基二極管上，必須考慮 I_L,MIN (關(guān)閉低邊 MOSFET) 和I_L,MAX (打開(kāi)低邊 MOSFET)。

電容損耗

高邊 MOSFET 的輸出電容在 toff 期間被充電至(Vin- Vf)。通過(guò)打開(kāi) MOSFET，導(dǎo)通電阻縮短了輸出電容；因此，儲(chǔ)存的能量被轉(zhuǎn)化為熱量。

開(kāi)關(guān)損耗

開(kāi)關(guān)損耗很難被估算，因?yàn)樗Q于復(fù)雜的參數(shù)，例如柵極驅(qū)動(dòng)器跡線的寄生電感。因此，在這種情況下，將使用不同的方法來(lái)測(cè)定。如果從總損耗中減去所有已知和計(jì)算的損耗，則剩下的就是總開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)然，PCB 的銅電阻也會(huì)產(chǎn)生一些損耗，但由于大小未知和不占主導(dǎo)，它們也會(huì)被忽略。

高邊 MOSFET 總損耗

低邊 MOSFET 總損耗

根據(jù)上述計(jì)算，高邊 MOSFET 的總損耗比低邊 MOSFET 高得多，因此可以假設(shè)高邊MOSFET 的升溫遠(yuǎn)高于低邊 MOSFET 的升溫。圖8 顯示了低邊 MOSFET 在所有負(fù)載電流下的損耗小于 1.0 W，而高邊 MOSFET 在 20.0 A 負(fù)載電流下的損耗大于 6.0 W。

圖8 MOSFET損耗