一般而言，在電源模塊處于額定輸入電壓時(shí)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)負(fù)載電流在沒(méi)有負(fù)載至最大負(fù)載之間變化時(shí)，熱電偶或熱成像攝像頭用于測(cè)量主要組件的溫度，并在若干典型氣流值(通常從 0 至 2.5 米/秒)時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

在風(fēng)道中，有時(shí)采用煙氣對(duì)氣流進(jìn)行定性說(shuō)明。如圖 3 所示，受限測(cè)試設(shè)置模式減少了電源模塊中絲狀煙氣的間距，這表明了與在模塊前端測(cè)量得出的氣流比較而言，整個(gè)模塊中的氣流速度已有所提高。而且，面對(duì)印刷電路板平行面的氣流速度可從 1 米/秒提高至 2 米/秒。另外，采用這種方法的廠商認(rèn)為，此種方法能模擬相應(yīng)的卡架環(huán)境。

圖3. 氣流穿過(guò) SOA 受限測(cè)試設(shè)置時(shí)的情形[1]。

SOA 未受限測(cè)試設(shè)置的情形如圖 4 所示，此時(shí)，電源模塊焊接于風(fēng)道內(nèi)的測(cè)試電路板上。這種設(shè)置沒(méi)有面對(duì)印刷電路板的平行面。

圖4. SOA 未受限測(cè)試設(shè)置方案。

SOA 未受限測(cè)試設(shè)置方案允許空氣在模塊上方流動(dòng)而無(wú)需限制氣流速度，而且這并沒(méi)有像在受限測(cè)試設(shè)置方案中那樣減少流通截面積(提高氣流速度)。如圖 5 所示，模塊前端和模塊表面的絲狀煙氣間距保持相對(duì)不變，這表明了穿過(guò)模塊的氣流速度與在模塊前端測(cè)量得出的氣流速度相同。另外，在受限測(cè)試設(shè)置方案中，穿過(guò)模塊的氣流速度更高，從而生成變化更為陡峭 (aggressive) 的 SOA 曲線(在給定的氣流速度時(shí)，模塊將會(huì)輸出更大的電流)。

圖5. 氣流穿過(guò) SOA 未受限測(cè)試設(shè)置時(shí)的情形[2]。

溫度測(cè)量方法

溫度測(cè)量對(duì) SOA 曲線的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。為此，部分廠商建議，在印刷電路板上的某一點(diǎn)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。然而，通常情況下，這并非是電路中溫度最高的一點(diǎn)。所以，出于對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性方面的考慮，應(yīng)直接對(duì)溫度最高的組件進(jìn)行測(cè)量(通常為 FET、控制 IC 以及磁性組件)，而且必須在組件的外殼或接頭[3]對(duì) FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的溫度進(jìn)行監(jiān)控。另外，大多數(shù)廠商采用自動(dòng)測(cè)量方法來(lái)確定散熱性能，這種測(cè)量方法通過(guò)在各種電源組件上設(shè)置熱電偶來(lái)完成，這些電源組件包括 FET、磁性組件以及在程序控制的作用下能夠監(jiān)控多種組件的熱攝像頭。

熱電偶之所以會(huì)影響小質(zhì)量組件的測(cè)量工作，是因?yàn)槠浣饘贅?gòu)造的影響——熱電偶將傳導(dǎo)與其接觸組件上的熱量，這樣，致使更難以獲取測(cè)量組件真正的散熱狀況。

而且，熱電偶采用單點(diǎn)溫度測(cè)量法。再者，由于熱模式不易預(yù)測(cè)，因此并非總能清楚測(cè)量所需熱電偶的安裝位置。鑒于此，電源廠商將熱電偶安裝于多個(gè)點(diǎn)。另外，由于電源模塊上將熱電偶與各點(diǎn)相連的導(dǎo)線會(huì)妨礙穿過(guò)組件的氣流，所以導(dǎo)致組件在更高的溫度下運(yùn)行。

目前，許多廠商采用熱(紅外線)成像技術(shù)來(lái)協(xié)助設(shè)計(jì)和突出其產(chǎn)品特征。熱成像攝像頭為主要組件的溫度測(cè)量提供了除熱電偶之外的另一種選擇。而且，熱成像技術(shù)采用多點(diǎn)的方式來(lái)測(cè)量散熱性能，這種測(cè)量技術(shù)既適用于受限測(cè)試設(shè)置方案，同時(shí)也適用于未受限測(cè)試設(shè)置方案。如圖 4 所示，電源模塊的熱成像是通過(guò)風(fēng)道一側(cè)的窗口來(lái)拍攝完成。

熱成像技術(shù)常用于電源組件可見(jiàn)的情況下，所以其能夠測(cè)量各組件的表面溫度。而且，所得成像可將模塊的整體散熱狀況清楚的呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)還能確定組件布局方面存在的問(wèn)題以及應(yīng)力過(guò)大的組件。再者，通過(guò)熱成像，電源廠商還可評(píng)估冷卻效果以及來(lái)自相鄰散熱片和組件的“影響”。

組件允許的最高溫度

通過(guò)測(cè)量組件的表面溫度，即可直接估算出組件內(nèi)部的核心溫度。同時(shí)，需要了解的還有半導(dǎo)體的結(jié)溫以及磁性部件的繞組溫度。另外，通過(guò)改變這些組件上設(shè)置的溫度限額，即可改變模塊的降額曲線，以及模塊在特定環(huán)境溫度時(shí)的額定輸出大小和氣流。

部分廠商通過(guò)將組件內(nèi)部溫度限額調(diào)至正常值以上而將其模塊的額定值提高——這將有助于提高散熱等級(jí)。例如，一家廠商會(huì)將結(jié)溫設(shè)置在接近于組件最大絕對(duì)額定溫度的條件下，運(yùn)行 FET，而另一家廠商則會(huì)將結(jié)溫限制在一個(gè)較低、更為保守的數(shù)值范圍內(nèi)。這些相反的設(shè)計(jì)條件會(huì)對(duì)電源模塊的整體性能和可靠性產(chǎn)生重大影響。例如，如果 FET 的運(yùn)行溫度從 115°C 提高至 125°C，同時(shí)其他所有的運(yùn)行條件保持不變，那么模塊的可靠性 MTBF 等級(jí)將從 929,368 小時(shí) (1076 FIT)變?yōu)?822,368 小時(shí)(1216 FIT)[4]。

廠商通過(guò)采用這些更高的額定值，從而在產(chǎn)品說(shuō)明書上宣揚(yáng)其產(chǎn)品優(yōu)越的散熱性能。而廠商所宣稱的這些性能以及產(chǎn)品說(shuō)明書內(nèi)頁(yè)上的 SOA 曲線圖使設(shè)計(jì)人員相信，他們自己就可以實(shí)現(xiàn)該模塊在更高的溫度下在其系統(tǒng)中可靠的運(yùn)行。然而，設(shè)計(jì)人員卻沒(méi)有意識(shí)到，如果在這些運(yùn)行條件下，持續(xù)使用該電源模塊，那么模塊的使用壽命將會(huì)縮短。

哪一種 SOA 測(cè)試設(shè)置方案更為可取?

測(cè)量散熱性能的方法之所以無(wú)對(duì)錯(cuò)之分，是因?yàn)槊恳环N方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，從受限測(cè)試設(shè)置方案中獲取的 SOA 曲線只能適用于與此測(cè)試設(shè)置相類似的環(huán)境中，而從未受限測(cè)試設(shè)置方案中獲取的 SOA 曲線的適用范圍更廣。另外，由于在許多實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中并未采用設(shè)置氣流限制的并行電路板，所以未受限測(cè)試設(shè)置方案為最保守的方法。

除了 SOA 測(cè)試設(shè)置之外，還有許多其他因素會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。首先，氣流是通過(guò)風(fēng)速計(jì)測(cè)量得出的，還是通過(guò)容積計(jì)算得出的?但是，用于在模塊前端直接測(cè)量氣流的熱線風(fēng)速計(jì)能確保氣流測(cè)算的準(zhǔn)確性最高。其次，氣流形式是擾動(dòng)的，還是分層的?而分層氣流屬于更為保守的方法。

目前，部分 DC/DC 電源模塊既有水平封裝形式，也有垂直封裝形式。其中一些安裝方位能實(shí)現(xiàn)較好的散熱性能，這些性能通常會(huì)在模塊產(chǎn)品說(shuō)明書中予以標(biāo)明。但是，設(shè)計(jì)人員必須了解其他安裝方位的散熱性能，并了解降額曲線是基于最佳方位還是最差方位測(cè)算得出的。

散熱測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)

雖然大多數(shù)散熱性能通過(guò)采用散熱成像攝像頭中的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，但是實(shí)際的測(cè)試設(shè)置和測(cè)量方法會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。圖 6 和圖 7 顯示了隔離式四分之一磚型電源模塊的一組熱降額曲線，該模塊在電流為 30A 時(shí)的額定輸出電壓為 3.3V。未受限散熱測(cè)量方法用于生成如圖 6 所示的熱降額曲線，而受限散熱測(cè)量方法用于生成如圖 7 所示的熱降額曲線。在兩種測(cè)試設(shè)置方案中，最高組件溫度、安裝方位以及氣流方向都相同。[5]

圖6. 源自未受限測(cè)量方法的熱降額曲線。

圖7. 源自受限測(cè)量方法的熱降額曲線。

當(dāng)溫度為 70°C、氣流速度為 1.0米/秒(200lfm)時(shí)，未受限設(shè)置方案中的降額曲線表明，模塊應(yīng)在最大電流為 18A 的條件下運(yùn)行(如圖 6 所示);而在氣流受限設(shè)置的情況下測(cè)量同一模塊時(shí)，降額曲線表明，模塊可在最大電流達(dá) 23A 的條件下運(yùn)行(如圖 7 所示)。因此，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品配置與受限設(shè)置不一致，將導(dǎo)致重大的風(fēng)險(xiǎn)——模塊的內(nèi)部組件將在比廠商推薦標(biāo)準(zhǔn)高得多的溫度下運(yùn)行，從而可能在以后引發(fā)可靠性方面的問(wèn)題。