高功率降压转换的散热评估测试原理概述
【导读】自动驾驶是所有汽车 OEM 在这个时代面临的新一波重要趋势，车辆内的电子控制单元（ECU）数量急剧增加。其中涵盖了诸多应用，例如驾驶辅助摄像头、数据融合 ECU 以及它们各自的功耗管理。根据应用和操作范围，预调节器的输出功率范围不等，小至停车辅助 ECU 的几瓦特，大至数据融合 ECU 的上百瓦特。本系列文章将传达使用散热片降低电子器件热应力的潜在意义，以及系统热性能与各种因素（例如散热片的位置和尺寸）的相关性。
本文为第一部分，将首先描述用于执行测量的设置、测试板的简要概述以及用于实验的各种散热片。测试结果将在后续的文章中介绍并总结在设计高输出功率预调节器时使用散热片的效果。
设置
图 1 描述了用于测试板热评估的设置，包括以下仪器
● 电源 Toellner TOE8872
● 电子负载 Prodigit 3311C
● 功率分析仪 Fluke Norma 5000
● Keysight 多通道数据记录器 34970A
● 被测器件(DUT)
图1 测试设置
电流从电源 OUT 端口流向功率分析仪输入电流端口I1-IN，功率分析仪在此进行测量。然后它通过 I1-OUT 从功率分析仪流出到被测器件(DUT)的 VIN 端口。电源分析仪 V1 连接到DUT VIN 端口以测量输入电压。电源的 GND 连接到 DUT 和功率分析仪的 GND。
在输出侧，电流从 DUT VOUT 端口流向功率分析仪输入电流端口I2-IN，功率分析仪在此处进行测量。然后它通过I2-OUT 从功率分析仪流出到直流电子负载的 CH1 端口，这里设置了DUT 负载电流。功率分析仪 V2 连接到 DUT VOUT 端口以测量输出电压。功率分析仪的GND 连接到 DUT 和直流电子负载的 GND。
该电源具有传感功能，可保持提供给 DUT 的电压恒定 (补偿电缆损耗)，并在传感器线路出现断路时保护敏感负载。数据记录器会测量 DUT 上不同 IC 组件的温度。
整个系统是完全自动化的，以便确保精确和可重复的结果。基于 Pvthon 的软件会控制整个设置，从设置输入电压和输出负载，到测量组件的温度和计算整体系统效率。图 2 显示了软件的 GUI。
图2 软件 GUI
测试板和散热片
为了评估不同散热片的性能和影响，我们设计了一个基于 100 W 汽车预调节器设计的专用板，且针对热评估进行了优化。图3 显示了具有 5V 输出电压和高达 20 A输出电流能力的同降压压转换器的原理图。汽车降压控制器 NCV881930 具有 410 kH 的固定开关频率。它驱动两个符合汽车标准的 40 V MOSFET NVMFS5C460NL(带底面裸露焊盘的 SO-8FL)，它们并联在降压转换器的高边 (HS) 和低边(LS)，以实现高达 20 A 的高输出电流。
图3 测试板原理图
对布局进行以下修改，可以对电路板进行热评估：
● 增加了 PCB 总尺寸，以允许在 PCB 的顶面和底面安装一个 50mm x 50mm 的散热片；
● 为散热片提供安装孔；
● 为 PCB 底面的电感器提供额外的占位面积。
图 4 和图 5 显示了顶面和底面，以及在 PCB 的顶面和底面安装散热片的可能性。
图4 DUT顶面
图5 DUT底面
通过上述配置，有三种可能的且已经过分析的测试设置如下:
表1 测试设置
从机械角度来看，将散热片正确且可更换地安装到 PCB 上是最具挑战性的部分。对于任何配置，在散热片和散热表面之间必须有一个薄膜间隙垫，以实现良好的导热性。发射表面(如PCB 或 MOSFET 的封装)从来都不是完全平坦和平行于散热片的，因此间隙垫确保了两者之间良好的层状界面。材料选择起着重要作用，显著影响热性能。例如，一个需要承受高电压的材料的热阻总是比基于石墨的导电材料高得多。
对于本测试设置，选择了厚度为 0.5 mm 的 KERAFOL“SOFTTHERM”材料，请参见表 2。所有测量均使用 3.0 W/(m·K) 材料进行，其热阻为 0.41 KW。6.0 W/(m·K) 材料(热阻为 0.20 KW) 仅在本白皮书未尾用于两种材料的比较。
表 2.薄膜间隙垫
● 热导率是一种材料属性，不受几何形状(即形状或尺寸) 的影响。它描述了内部导热能力,在比较不同材料时是一个有用的参数。
● 热阻描述了具有一定厚度的材料如何抵抗热流。由于厚度与热阻直接相关，较薄的材料比较厚的材料具有更好的热传递。
● 热阻抗取决于形状或尺寸、厚度和压力。这是一个比较符合实际情况的值，因为所有变量如表面的平整度、压力等，都针对特定应用进行了考虑。
用于连接散热片的扭矩也会影响热阻抗。通常，压缩越高，热阻越低。这是因为压缩降低了整体厚度并增加了材料的密度。这两个因素都提高了导热性。厚度为 5 mm 的 86/300 SOFTTHERM 材料在零压下的热阻为 4.1 KW。30 N/cm2 的压力会使厚度变为 3.7 mm，热阻降低到 3.0 KW。这种材料的最薄版本厚度为 0.5 mm。在这种情况下，当施加 30 Ncm的最大压力时，材料可以压缩到 0.3 mm。同时，热阻从 0.4 K/W 下降到 0.25 KW。压力过高会损坏薄膜间隙垫，例如导致泄漏。例如，对于 86/300 SOFTTHERM，压缩量不应超过原始厚度的 30%。
对于本测试设置，压力的绝对值不是必需的，只要过高的扭矩或压力不会损坏薄膜间隙垫和机械设置即可。最关键的一点是，用于每个散热片和每种设置的压力必须是相同的;否则，结果将无法比较。如前所述，压力和热阻之间的关系清楚地表明压力会显著影响整个系统的热性能。考虑厚度为 0.5 mm 的薄膜间隙垫，从 30 N/cm2 的最大压力降到零压力后，热阻增加 60%。
一种相对简单但可靠的设置是基于弹簧的，它通常用于在计算机 CPU 上安装散热片。在这种机械设置中，螺钉将弹簧固定到位，将散热片压到 CPU 的顶面。压力取决于弹簧的弹力,而不是螺钉的扭矩，因为它们不会对散热片或 CPU 施加压力。
图6显示了将散热片安装到 PCB 上的设置。电感器和 MOSFET 位于底面，热量通过 PCB散发到散热片。在 PCB 的热点周围放置了无数的过孔，以降低 PCB 的热阻，改善 PCB 中的垂直热流。散热片和 PCB 之间的薄膜间隙垫可以使任何粗糙和不均匀的表面变平整，以最大限度地减少热阻。散热片具有用于将散热片和弹簧固定到位的螺钉的螺纹。弹簧由螺钉轻轻预压，使散热片压在 PCB 上。弹簧被压缩的长度与其弹力成正比，所有四个弹簧都需要具有相同的长度才能为每个固定点施加相同的压力。对每个设置使用相同的弹簧长度和机械力可确保可复现和可比较的结果。
图6 PCB 上的散热片
图7显示了在 MOSFET 顶面带有散热片的配置。设置是一样的，只需将电感器放置在底面，以便将散热片安装在 MOSFET 的顶面。
图7 MOSFET 上的散热片
测量中使用了 Fischer Elektronik 的三种底面积为 50 x 50 mm 不同散热片，请参见表 3。
表3 散热片概述
选择它们的原因是，在给定各自高度的情况下，它们各自的热阻之间存在显著差异。随着每次高度的增加，热阻大约减小二分之一。这应有助于清楚地区分不同散热片的热性能。
MOSFET 之间的功率分配
理解以下测量结果对于正确理解高边和低边 MOSFET 之间的损耗和损耗分配至关重要。因此，为了解主要来源，所有与 MOSFET 相关的损耗都需计算。将肖特基二极管与低边MOSFET 并联放置可防止反向恢复损耗，并且死区时间损耗从低边 MOSFET 转移到肖特基二极管。
输出功率
输入功率
总损耗
分流损耗
电感损耗
高边 MOSFET 导通损耗
低边 MOSFET 导通损耗
肖特基二极管的死区时间损耗
在从高边到低边 MOSFET 的电流转换期间(反之亦然)，所有 MOSFET 都关闭一段特定的时间，称为“死区时间”。在此短时间内 (典型值为 20 ns)，电流流过低边 MOSFET 的体极管。如果将额外的肖特基二极管与低边 MOSFET 并联放置，则死区期间的电流会流过肖特基二极管，因为它的正向电压(典型值为 0.485 V) 低于体二极管 (典型值为 0.86 V)。使用肖特基二极管的另一个主要好处是避免体二极管的反向恢复损耗，因为肖特基二极管没有反向恢复损耗。由于正向压降导致的死区时间损耗出现在肖特基二极管上，必须考虑 IL,MIN (关闭低边 MOSFET) 和IL,MAX (打开低边 MOSFET)。
电容损耗
高边 MOSFET 的输出电容在 toff 期间被充电至(Vin- Vf)。通过打开 MOSFET，导通电阻缩短了输出电容；因此，储存的能量被转化为热量。
与其他损耗相比，电容损耗最小，因此在以下计算中忽略不计。
开关损耗
开关损耗很难被估算，因为它取决于复杂的参数，例如栅极驱动器迹线的寄生电感。因此，在这种情况下，将使用不同的方法来测定。如果从总损耗中减去所有已知和计算的损耗，则剩下的就是总开关损耗。当然，PCB 的铜电阻也会产生一些损耗，但由于大小未知和不占主导，它们也会被忽略。
由于低边 MOSFET 的开关电压几乎为零 (漏极-源极电压等于 MOSFET 导通和关断时的二极管正向电压)，计算出的大部分开关损耗都是由高边 MOSFET 引起的。
高边 MOSFET 总损耗
低边 MOSFET 总损耗
根据上述计算，高边 MOSFET 的总损耗比低边 MOSFET 高得多，因此可以假设高边MOSFET 的升温远高于低边 MOSFET 的升温。图8 显示了低边 MOSFET 在所有负载电流下的损耗小于 1.0 W，而高边 MOSFET 在 20.0 A 负载电流下的损耗大于 6.0 W。
图8 MOSFET损耗
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