高功率压降转换的散热评估，孰优孰劣一目了然~

之前我们分享了高功率降压转换的散热评估测试原理概述，今天将为大家对比三种不同配置下电路板热性能的评估。

使用了三种配置来评估电路板的热性能：

对于所有三种配置，该电路板使用以下电气参数进行测试（表 5）；此外，效率和总损耗是在给定的操作点测量的。

表5.操作点

图9显示了高达20.0A 负载电流的效率图。

图9.效率图

为确保MOSFET两端的温度足够稳定以获得更准确的结果，在执行测量之前进行了一些试验性测量以了解MOSFET温度稳定后的时间跨度。对于所有测量，K型热电偶和HERNON 746 SET-04导热胶用于将热电偶连接到 MOSFET和PCB。

此外，在给电路板加电之前，两个热电偶都连接到 MOSFET 并在室温下进行测量，以确保它们显示相同的温度。在 24.0°C 的环境温度下，两个传感器之间的偏差小于 0.3°C，这对于本次评估来说足够准确。

表6显示了 MOSFET 的温度在大约 20 到 25 分钟后稳定到一个稳定值。由于 20 分钟和 25 分钟之间的差异可以忽略不计，因此选择 20 分钟的时间跨度以折中记录每次测量之间的温度数据的持续时间和准确性。

表6.在没有散热片的情况下随时间变化的温度曲线

表7显示了安装在PCB底面的 60mm 散热片的温度。大约 25 分钟后温度稳定。由于在测量 25、30 和 35 分钟后温差很小，因此选择 30 分钟作为测量之间的最佳时间间隔。

表7.使用60mm散热片时随时间变化的温度曲线

之前的部分指出了高边和低边 MOSFET 的损耗之间的显著差异。在 20.0 A 负载电流下，高边 MOSFET 的功耗约为6.5W，而低边 MOSFET 的功耗约为 0.7 W，基本上是前者的十分之一，因此可以假设高边和低边 MOSFET 之间的温差也很大。但正如测量结果所示，事实并非如此，所有 MOSFET 的温度都非常相似，偏差远低于 10%。

原因在于 PCB 的布局，它针对良好的导热性和散热性进行了优化。MOSFET 周围的众多过孔以及外层和内层（四层PCB，35μm铜厚）上的大面积铜平面有效地分散了来自 MOSFET 的热量，并将其散布在 PCB 内。这会导致功耗极低的低边 MOSFET 被高边 MOSFET 加热，而高边 MOSFET 是电路板的主要热源。高边和低边 MOSFET 之间的温差表示不同的功率损耗水平。尽管如此，由于差异并不像预期的那么大，根据损耗估计，这表明 PCB 具有出色的热性能。

PCB 上没有安装散热片，热电偶使用导热胶放置在一个高边和一个低边 MOSFET上，如图 10 所示。该电路板具有 5A、10A、15A 和20A负载电流。在每个负载电流加载到电路板 20 分钟后，数据记录器会保存来自两个热电偶的温度信息。

图 10.设置 #1 - 无散热片

表 8 显示了四种不同输出电流的测量结果。

表8.设置 #1-无散热片

图11显示了温度的图形表示。通常，高边 MOSFET 比低边 MOSFET 稍热。随着负载电流的增加，两个 MOSFET 的温度也会升高。从5.0A到20.0A，温度的升高不是线性的，因为虽然开关损耗线性增加，但导通损耗不是线性增加。

图11. 设置#1 - 无散热片

图 12 显示了在 PCB 顶面带有散热片的电路板。它被放置在高边和低边 MOSFET 的正上方，中间有一个间隙垫，以避免气隙并补偿任何粗糙度以最大限度地提高热导率。使用 10mm、25mm 和 60mm 高度的鳍片散热片进行测量，每个负载电流之间有30分钟的时间间隔，以了解热导率和散热的影响。如之前部分所述，散热片使用螺钉和弹簧从PCB底面安装。

图12.设置#2 - 顶面有散热片

将热电偶放在 MOSFET 顶面会在安装散热片时形成不平整的表面；因此它们被放置在高边和低边 MOSFET 之间，如图 13 所示。

图13.热电偶的放置

表9.设置#2 - 顶面有10mm散热片

表10.设置#2 - 顶面有25mm散热片

表11.设置#2 - 顶面有60mm散热片

使用10mm散热片时，高边和低边MOSFET之间的温度差别不大。但是对于25mm和60mm的散热片，可以观察到高边和低边 MOSFET 之间微小但明显的温差。这种差异随着散热片的高度而增加。对该行为的解释是较小的散热片具有较低的质量和较高的热阻。这会导致散热片热饱和，并且，具有较高损耗的高边 MOSFET 由于其出色的导热性，会通过PCB加热低边 MOSFET。在没有散热片的情况下，在上一部分的测量中也可以看到这种效果（表 8）。

通过增加散热片的高度和降低热阻，由于散热片更好的导热性，可以减低一个 MOSFET 对另一个 MOSFET 的影响。热量通过阻力最小的路径（即散热片），然后消散到环境中。如果没有小型散热片，热量主要通过 PCB 散发，导致所有 MOSFET 的温度相似，尽管功耗不同。

图14和图15显示了散热片的显著影响，尤其是在较高负载电流下。与没有散热片的测量相比，带有60mm散热片的低边MOSFET在20.0A负载电流下的温度降低了大约 30°C。与没有散热片的测量相比，带有60mm散热片的高边MOSFET的温度降低了约 32°C。

对于 5.0 A 这样的低负载电流，四种设置之间的热差异相对较低，最大为 6°C，这使得因散热片而增加额外成本值得商榷。

图14. 设置#2 - 带顶面散热片的低边MOSFET温度

图15.设置#2 - 带顶面散热片的高边MOSFET温度

图16和图17显示了在不同负载电流下，具有不同散热片的高边和低边 MOSFET 的温度变化。与可见的10mm散热片相比，使用60mm散热片的温度显著降低。在20.0A负载电流下，可以注意到低边 MOSFET 的温度降低了大约 22°C，可以观察到，相比于10mm散热片，带有25mm散热片的低边 MOSFET 温度降低了大约 14°C。在较低的负载电流下也可以注意到类似的情况，但散热片的影响并不那么明显。

图16.设置#2 - 带顶面散热片的低边MOSFET温度变化

图17.设置#2 - 带顶面散热片的高边MOSFET温度变化

相同的测量结果显示了在不同负载电流下，具有不同散热片的高边 MOSFET 的温度变化。类似的结果也可以在这里看到：相比于10mm散热片，带60mm散热片的高边 MOSFET 在20.0A负载电流下温度低约 18°C。可以观察到，相比于10mm散热片，带有25mm散热片的高边 MOSFET 温度大约降低12°C。

电感器需要焊接在 PCB 的顶面，以便将散热片安装在底面。如图 19 所示，热电偶使用导热胶粘在高边和低边 MOSFET 的顶面。散热片使用与顶面安装设置相同的弹簧和螺钉安装在底面。此外，此配置在散热片和电路板之间放置了一个间隙垫，以优化热界面。与上一部分类似，使用了三种不同的散热片来分析热性能。

图18. 设置#3 - 底面有散热片

图19. 热电偶的放置

表12.设置 #3 - 底面有10mm散热片

表13. 设置#3 - 底面有25mm散热片

表 14.设置#3 - 底面有60mm散热片

对于所有三个散热片，在给定的负载电流下，高边 MOSFET 的升温明显比低边 MOSFET 的升温高。在之前的没有散热片和散热片安装在 PCB 顶面的测量中也有类似的情况。

图20.设置#3 - 带底面散热片的低边MOSFET温度

图21.设置#3 - 带底面散热片的高边MOSFET温度

图20和21显示了使用不同散热片的低边和高边 MOSFET 的散热效果比没有使用散热片的配置有所改善。在20.0A负载电流下，使用60mm散热片的低边 MOSFET 比没有散热片时的温度低 29°C 左右。使用60mm散热片的高边 MOSFET 比没有散热片的温度低约 31 °C。

与之前的测试设置类似，低负载电流下的温差相对较小。

图22.设置#3 - 带底面散热片的低边MOSFET温度变化

图23.设置#3 - 带底面散热片的高边MOSFET温度变化

图22和23显示了在底面使用不同散热片的高边和低边 MOSFET 的温度变化。与之前在顶面具有散热片的配置一样，与10mm散热片相比，具有 60mm散热片的高边 MOSFET 的温度显著降低了约19°C。对于低边 MOSFET 也可以看到类似的情况。但25mm和60mm散热片之间的温差不如10mm和25mm之间的温差显著。此外，这种差异在较高负载电流时比在较低负载电流时更为重要。