高功率降压转换的散热评估测试原理概述

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。

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插播一条研讨会直播预告

USB PD3.1快充的最新标准升级至240W额定功率，最高48V电压输出，大幅扩展USB在电源和电池充电器方面的应用。此在线研讨会将检视 USB 负载如何传递信息于 USB 电源，以设置电压水平和最大电流，同时亦会展示安森美 (onsemi) USB 产品系列的解决方案。

• 关键要点

1.检视最新USB标准，将功率扩展至240W和48V。

2.安森美USB电源解决方案。

直播主题

USB PD3.1 升级电源和电池充电器应用

专家介绍

Bright Yang

安森美应用工程师

Bright Yang负责安森美USB PD电源产品的开发及推广，拥有超过二十年的电子开发经验，精通通信以及USB电源产品的软硬件及系统架构。

图 1 描述了用于测试板热评估的设置，包括以下仪器

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。

图2 软件 GUI

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。

对布局进行以下修改，可以对电路板进行热评估：

图4 DUT顶面

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。

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。

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。

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 I_L,MIN (关闭低边 MOSFET) 和I_L,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。

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。

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