不需要散热器的转换器的设计
发布时间：2010-8-11 23:51
发布者：conniede
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本文主要探讨为何以同步整流器为基础的DC/DC转换器（不带散热器）反而比传统的以肖特基二级管为基础的转换器（带散热器）能产生更多的有用的输出功率。 文章首先分析的是当DC/DC转换器的散热器被拆除后会降低多少"散热"能力。然后阐述较之低效率的传统转换器而言，以同步整流器为基础的转换器需要散发的热量少了多少。最后，文章将比较两种转换器的功率降额曲线（derating curves），以说明同步整流转换器因其高效率之所得胜过因为拆除散热器而受到的损失。 文章将重点分析标准的半砖2.3英寸×2.4英寸DC/DC转换器。一般来说，同类型最好的肖特基二极管转换器能够提供150瓦或30安的输出功率。而且，我们将看到，由于使用温度环境变坏，转换器实际能够输出的功率通常要低于这个数字。 拆除散热器后，我们会损失什么？ 通过比较散热器安装与否的两种情况可以方便地测量散热器的效率。例如，一个基板上未安装散热器的DC/DC转换器在基板和空气之间有一定的热阻，Rca(无散热器散热)。如果我们在基板上装上散热器，新的热阻，Rca（有散热器散热），要比Rca（无散热器散热）小一个因子。这个因子表明了散热器的作用。 但是，由于种种原因，并不能从散热器散热片组的表面积与转换器基板的表面积就简单得出关系。首先，从基板传来的热量上升到散热器片会产生热阻，部分是由于我们放在基板和散热器之间的隔热垫或隔热液，部分是由于热量通过狭窄的散热片。其次，冷却气流流过各个散热片之间空隙的流速也不会都与气流流过平坦基板时的流速相同。因此，散热器由于表面所达到的散热效果比预计要少。 下面的表格对使用不同高度的散热器以提高散热性与不使用散热器进行比较。表中改善因子是没有散热器的热阻，Rca（无散热器散热）除以使用散热器的热阻，Rca（有散热器散热)。 改善因子代表在拆除散热器之后损失的散热效果。如果需要保持同样的散热效果，同步整流转换器消耗的功率就必须同比例地降低。下一段分析这个问题。 同步整流转换器散热要减少多少？ 传统的转换器使用肖特基二极管对变压器的输出进行整流。肖特基二极管消耗转换器损失的大部分热量。另一种方法是使用同步整流器对变压器的输出进行整流，这比传统转换器的肖特基二极管消耗少得多的功率。 表2比较了SynQor使用同步整流的30安PowerQor转换器和同等负载电流的传统转换器的满负载效率。表中右边一栏揭示了使用PowerQor转换器后DC/DC转换器的热量消耗降低的因子。 从表中，我们可以看出，使用同步整流转换器能使热量消耗降低，从一个15Vout转换器下降20%到一个1.5Vout转换器下降300%不等。换句话说，输出电压越低，转而使用同步整流技术的意义就越大。 在进行比较之前，我们为什么要先看看功率降额曲线？ 现在，我们知道1）当散热器被拆除后，未能散发的热量；2）30安的同步整流转换器减少消耗的热量。 但是，要真正地比较并不简单。原因之一是同步整流转换器没有一个金属的基板，但有一个区别很大的开架结构。首先，它比不带散热器的传统转换器高度更低，只有0.4''而不是0.5''，所以空气将更容易通过同步整流的转换器，而不是环绕而行。另外，它的上表层不规则，产生的紊流比线性气流散热效果更好。第三，同步整流转换器下面有更多的空间让气流通过，这也有利于散热。 难于比较的原因之二是，一个转换器的效率随输出功率和温度两者而变化。表2表示出来的效率仅仅是一种功率和温度的结合：满载电流和25°C。 同步整流转换器的设计使它们在大部分功率范围内维持相对稳定的高效率，在转换器变热后这个效率只会有稍微的下降。 由于这些原因，决定我们是否得到的更多还是失去的更多的最好的方法，就是直接看功率降额曲线，该曲线能揭示出一个DC/DC转换器在周围空气一定的温度和流速下，能输出多少功率。在功率降额曲线上的每一点都代表输出功率和引起转换器内部某些部件温度达到某个预定界限的环境条件的结合。 传统DC/DC转换器厂商认为，用户在一般情况下应该把转换器的基板温度控制在100°C以下 。周围的空气温度越高，气流越慢，散热器越低，在基板到达温度上限之前转换器所能提供的功率就越少。 由于同步整流转换器不需要基板，要了解什么情况下应该限制转换器的输出功率时，我们有必要直接看一下部件的情况。SynQor认为，额定温度是150°C 的功率MOSFET的温度不应该高于125°C。SynQor还推荐我们的PCB产品，它的额定温度是130°C，但也不应高于 120°C或在 隔离屏障附近不高于110°C。如果这些选定值都低于元件的实际温度额定值，那么就为功率降额曲线保留了更大的空间。因此，设计师和用户使用同步整流转换器时，就会感觉更加容易满足降额曲线的限制条件。 对传统转换器来说，参数表并不显示当基板温度达到100°C时，转换器部件的温度有多高。因此，系统设计师不知道如果还有余地，在设计时转换器的功率降额曲线中包含的余地有多少。很有可能他们会避免在降额曲线边界上使用这些转换器。 比较3.3Vout转换器的功率降额曲线？ 除特殊指明外，所有的功率降额曲线都是通过对实际的DC/DC转换器进行测量得到的，安装转换器的PCB放入风洞中以控制温度和空气的流动速度。转换器的热量情况由风洞侧面的窗口可以看到。通过这样的设备，就可以得到各种环境下，达到温度限值时准确的功率值。 一个半砖大小的传统转换器实际的功率要低于其"额定值"。例如，即使安装有一个0.5"高的散热器，在55°C和200 LFM这样并不理想的条件下，传统转换器也只能输出22安。如果没有地方放散热器，则只能输出15安。相比之下，同步整流的半砖转换器，在没有散热器和金属基板的情况下，功率降额曲线表明，这些3.3Vout 转换器可以输出比带0.5" 散热器的传统转换器有高得多的输出电压和功率。 曲线1：功率降额曲线比较-- SynQor的30A和40A半砖（无散热器）产品和传统的、以肖特基二极管 为基础的、带散热器/无散热器的半砖转换器。 其他输出电压的功率降额曲线相比如何？ 可以想象，如果电压高于3.3V，同步整流转换器（无散热器）和传统转换器（带散热器）的200 LFM功率降额曲线会更加接近。这是因为输出电压更高的话，肖特基二极管 转换器的效率水平比输出电压低的情况下要高很多。但同步整流转换器则是在传统转换器效率非常低的低输出电压下表现更好。 让我们来看一看输出电压较高时的情况，对于12Vout 转换器的200 LFM 功率降额曲线来说，在周围空气温度高于30°C时，同步整流转换器比带散热器的传统转换器性能要好得多。温度达到55°C时，不带散热器的同步整流转换器比带散热器的传统转换器多输出35%的电流。 曲线2：比较SynQor的150W（12.5A）12Vout半砖（无散热器）产品和传统的肖特基二极管 12Vout半砖、带散热器/不带散热器的转换器产品的功率降额曲线。 当输出电压低于3.3V时，曲线3比较了无散热器的30A 2.5 Vout 同步整流转换器和带/不带1/2"高散热器的传统转换器在200 LFM功率降额曲线。同步整流转换器在各种温度情况下，都输出多得多的输出电流。温度达到55°C时，同步整流转换器比带0.5"散热器的传统转换器输出多出50%的输出电流。 曲线3：功率降额曲线比较-- SynQor的 30A 2.5Vout半砖（无散热器）和传统的肖特基二极管 2.5Vout半砖、带/不带散热器的转换器 总结 以上的数据表明，DC/DC转换器技术已经向前发展了一大步。使用同步整流技术的成功设计可以极大地提高效率，特别是在低输出电压情况下，用于逻辑电路时散发的热量低于统转换器的一半。因此，转换器可以不安装散热器或基板，这样能够降低高度、减轻重量、降低成本和方便应用。同时，同步整流转换器比带散热器的传统转换器输出的功率要高得多通过使用无散热器的转换器，你能够"摆脱散热器"了，开始体验到更高效率、更高热性能所带来的优势。 |
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