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高功率壓降轉(zhuǎn)換的散熱評估,孰優(yōu)孰劣一目了然~

02/01 12:40
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自動駕駛是所有汽車OEM在這個時代面臨的新一波重要趨勢,車輛內(nèi)的電子控制單元(ECU)數(shù)量急劇增加。其中涵蓋了諸多應(yīng)用,例如駕駛輔助攝像頭、數(shù)據(jù)融合 ECU 以及它們各自的功耗管理。

根據(jù)應(yīng)用和操作范圍,預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出功率范圍不等,小至停車輔助 ECU 的幾瓦特,大至數(shù)據(jù)融合 ECU 的上百瓦特。本系列文章將闡述使用散熱片降低電子器件熱應(yīng)力的潛在意義,以及系統(tǒng)熱性能與各種因素(例如散熱片的位置和尺寸)的相關(guān)性。

之前我們分享了高功率降壓轉(zhuǎn)換的散熱評估測試原理概述,今天將為大家對比三種不同配置下電路板熱性能的評估。

測量準備

使用了三種配置來評估電路板的熱性能:

設(shè)置 #1:不帶散熱片

設(shè)置 #2:散熱片在頂面

設(shè)置 #3:散熱片在底面

對于所有三種配置,該電路板使用以下電氣參數(shù)進行測試(表 5);此外,效率和總損耗是在給定的操作點測量的。

表5.操作點

輸入電壓 輸出電壓 輸出電流 總損耗 效率
12.0 V 5.0 V 5.0 A 1.2 W 95.3%
12.0 V 5.0 V 10.0 A 3.1 W 94.1%
12.0 V 5.0 V 15.0 A 5.1 W 93.5%
12.0 V 5.0 V 20.0 A 8.4 W 92.2%

圖9顯示了高達20.0A 負載電流的效率圖。

圖9.效率圖

為確保MOSFET兩端的溫度足夠穩(wěn)定以獲得更準確的結(jié)果,在執(zhí)行測量之前進行了一些試驗性測量以了解MOSFET溫度穩(wěn)定后的時間跨度。對于所有測量,K型熱電偶和HERNON 746 SET-04導(dǎo)熱膠用于將熱電偶連接到 MOSFET和PCB

此外,在給電路板加電之前,兩個熱電偶都連接到 MOSFET 并在室溫下進行測量,以確保它們顯示相同的溫度。在 24.0°C 的環(huán)境溫度下,兩個傳感器之間的偏差小于 0.3°C,這對于本次評估來說足夠準確。

表6顯示了 MOSFET 的溫度在大約 20 到 25 分鐘后穩(wěn)定到一個穩(wěn)定值。由于 20 分鐘和 25 分鐘之間的差異可以忽略不計,因此選擇 20 分鐘的時間跨度以折中記錄每次測量之間的溫度數(shù)據(jù)的持續(xù)時間和準確性。

表6.在沒有散熱片的情況下隨時間變化的溫度曲線

設(shè)置 #1 - 無散熱片 - Vin=12V,Vout= 5V,Iout=20A
延時 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5 分鐘 71.3°C 79.5°C
10 分鐘 77.8°C 85.0°C
15 分鐘 80.7°C 85.1°C
20 分鐘 81.6°C 86.6°C
25 分鐘 81.8°C 87.0°C

表7顯示了安裝在PCB底面的 60mm 散熱片的溫度。大約 25 分鐘后溫度穩(wěn)定。由于在測量 25、30 和 35 分鐘后溫差很小,因此選擇 30 分鐘作為測量之間的最佳時間間隔。

表7.使用60mm散熱片時隨時間變化的溫度曲線

設(shè)置 #3 - 底面有60mm 散熱片 - Vin= 12 V,Vout = 5 V,Iout = 20A
延時 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5 分鐘 44.7°C 47.4°C
10 分鐘 49.6°C 52.7°C
15 分鐘 52.7°C 55.6°C
20 分鐘 54.2°C 57.6°C
25 分鐘 54.7°C 58.5°C
30 分鐘 55.1°C 58.7°C
35 分鐘 55.3°C 58.9°C

之前的部分指出了高邊和低邊 MOSFET 的損耗之間的顯著差異。在 20.0 A 負載電流下,高邊 MOSFET 的功耗約為6.5W,而低邊 MOSFET 的功耗約為 0.7 W,基本上是前者的十分之一,因此可以假設(shè)高邊和低邊 MOSFET 之間的溫差也很大。但正如測量結(jié)果所示,事實并非如此,所有 MOSFET 的溫度都非常相似,偏差遠低于 10%。

原因在于 PCB 的布局,它針對良好的導(dǎo)熱性和散熱性進行了優(yōu)化。MOSFET 周圍的眾多過孔以及外層和內(nèi)層(四層PCB,35μm銅厚)上的大面積銅平面有效地分散了來自 MOSFET 的熱量,并將其散布在 PCB 內(nèi)。這會導(dǎo)致功耗極低的低邊 MOSFET 被高邊 MOSFET 加熱,而高邊 MOSFET 是電路板的主要熱源。高邊和低邊 MOSFET 之間的溫差表示不同的功率損耗水平。盡管如此,由于差異并不像預(yù)期的那么大,根據(jù)損耗估計,這表明 PCB 具有出色的熱性能。

測量值

設(shè)置#1 - 沒有散熱片

PCB 上沒有安裝散熱片,熱電偶使用導(dǎo)熱膠放置在一個高邊和一個低邊 MOSFET上,如圖 10 所示。該電路板具有 5A、10A、15A 和20A負載電流。在每個負載電流加載到電路板 20 分鐘后,數(shù)據(jù)記錄器會保存來自兩個熱電偶的溫度信息。

圖 10.設(shè)置 #1 - 無散熱片

表 8 顯示了四種不同輸出電流的測量結(jié)果。

表8.設(shè)置 #1-無散熱片

輸出電流 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5.0 A 40.2°C 42.1°C
10.0 A 49.2°C 52.3°C
15.0 A 65.3°C 70.6°C
20.0 A 83.4°C 89.7°C

圖11顯示了溫度的圖形表示。通常,高邊 MOSFET 比低邊 MOSFET 稍熱。隨著負載電流的增加,兩個 MOSFET 的溫度也會升高。從5.0A到20.0A,溫度的升高不是線性的,因為雖然開關(guān)損耗線性增加,但導(dǎo)通損耗不是線性增加

圖11. 設(shè)置#1 - 無散熱片

設(shè)置#2 - 頂面有散熱片

圖 12 顯示了在 PCB 頂面帶有散熱片的電路板。它被放置在高邊和低邊 MOSFET 的正上方,中間有一個間隙墊,以避免氣隙并補償任何粗糙度以最大限度地提高熱導(dǎo)率。使用 10mm、25mm 和 60mm 高度的鰭片散熱片進行測量,每個負載電流之間有30分鐘的時間間隔,以了解熱導(dǎo)率和散熱的影響。如之前部分所述,散熱片使用螺釘和彈簧從PCB底面安裝。

圖12.設(shè)置#2 - 頂面有散熱片

將熱電偶放在 MOSFET 頂面會在安裝散熱片時形成不平整的表面;因此它們被放置在高邊和低邊 MOSFET 之間,如圖 13 所示。

圖13.熱電偶的放置

表9.設(shè)置#2 - 頂面有10mm散熱片

設(shè)置#2 - 頂面有10mm散熱片 - Vin=12V,Vout=5V
輸出電流 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5.0 A 37.0°C 37.5°C
10.0 A 45.9°C 46.0°C
15.0 A 58.0°C 58.1°C
20.0 A 75.1°C 75.2°C

表10.設(shè)置#2 - 頂面有25mm散熱片

設(shè)置#2 - 頂面有25mm 散熱片 - Vin=12V,Vout=5V
輸出電流 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5.0 A 34.3°C 35.2°C
10.0 A 40.0°C 40.8°C
15.0 A 49.5°C 50.9°C
20.0 A 61.0°C 63.6°C

表11.設(shè)置#2 - 頂面有60mm散熱片

設(shè)置#2 - 頂面有60mm 散熱片 - Vin=12V,Vout=5V
輸出電流 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5.0 A 34.1°C 34.7°C
10.0 A 39.1°C 40.2°C
15.0 A 45.7°C 47.4°C
20.0 A 53.8°C 57.1°C

使用10mm散熱片時,高邊和低邊MOSFET之間的溫度差別不大。但是對于25mm和60mm的散熱片,可以觀察到高邊和低邊 MOSFET 之間微小但明顯的溫差。這種差異隨著散熱片的高度而增加。對該行為的解釋是較小的散熱片具有較低的質(zhì)量和較高的熱阻。這會導(dǎo)致散熱片熱飽和,并且,具有較高損耗的高邊 MOSFET 由于其出色的導(dǎo)熱性,會通過PCB加熱低邊 MOSFET。在沒有散熱片的情況下,在上一部分的測量中也可以看到這種效果(表 8)。

通過增加散熱片的高度和降低熱阻,由于散熱片更好的導(dǎo)熱性,可以減低一個 MOSFET 對另一個 MOSFET 的影響。熱量通過阻力最小的路徑(即散熱片),然后消散到環(huán)境中。如果沒有小型散熱片,熱量主要通過 PCB 散發(fā),導(dǎo)致所有 MOSFET 的溫度相似,盡管功耗不同。

圖14和圖15顯示了散熱片的顯著影響,尤其是在較高負載電流下。與沒有散熱片的測量相比,帶有60mm散熱片的低邊MOSFET在20.0A負載電流下的溫度降低了大約 30°C。與沒有散熱片的測量相比,帶有60mm散熱片的高邊MOSFET的溫度降低了約 32°C。

對于 5.0 A 這樣的低負載電流,四種設(shè)置之間的熱差異相對較低,最大為 6°C,這使得因散熱片而增加額外成本值得商榷。

圖14. 設(shè)置#2 - 帶頂面散熱片的低邊MOSFET溫度

圖15.設(shè)置#2 - 帶頂面散熱片的高邊MOSFET溫度

圖16和圖17顯示了在不同負載電流下,具有不同散熱片的高邊和低邊 MOSFET 的溫度變化。與可見的10mm散熱片相比,使用60mm散熱片的溫度顯著降低。在20.0A負載電流下,可以注意到低邊 MOSFET 的溫度降低了大約 22°C,可以觀察到,相比于10mm散熱片,帶有25mm散熱片的低邊 MOSFET 溫度降低了大約 14°C。在較低的負載電流下也可以注意到類似的情況,但散熱片的影響并不那么明顯。

圖16.設(shè)置#2 - 帶頂面散熱片的低邊MOSFET溫度變化

圖17.設(shè)置#2 - 帶頂面散熱片的高邊MOSFET溫度變化

相同的測量結(jié)果顯示了在不同負載電流下,具有不同散熱片的高邊 MOSFET 的溫度變化。類似的結(jié)果也可以在這里看到:相比于10mm散熱片,帶60mm散熱片的高邊 MOSFET 在20.0A負載電流下溫度低約 18°C??梢杂^察到,相比于10mm散熱片,帶有25mm散熱片的高邊 MOSFET 溫度大約降低12°C。

設(shè)置#3 - 底面有散熱片

電感器需要焊接在 PCB 的頂面,以便將散熱片安裝在底面。如圖 19 所示,熱電偶使用導(dǎo)熱膠粘在高邊和低邊 MOSFET 的頂面。散熱片使用與頂面安裝設(shè)置相同的彈簧和螺釘安裝在底面。此外,此配置在散熱片和電路板之間放置了一個間隙墊,以優(yōu)化熱界面。與上一部分類似,使用了三種不同的散熱片來分析熱性能。

圖18. 設(shè)置#3 - 底面有散熱片

圖19. 熱電偶的放置

表12.設(shè)置 #3 - 底面有10mm散熱片

設(shè)置#3 - 底面有 10 mm 散熱片- Vin=12V,Vout=5V
輸出電流 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5.0 A 37.3°C 38.7°C
10.0 A 43.9°C 47.2°C
15.0 A 53.9°C 59.2°C
20.0 A 70.6°C 77.7°C

表13. 設(shè)置#3 - 底面有25mm散熱片

設(shè)置#3 - 底面有 25 mm 散熱片- Vin=12V,Vout=5V
輸出電流 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5.0 A 35.4°C 36.1°C
10.0 A 39.9°C 41.6°C
15.0 A 47.2°C 50.0°C
20.0 A 60.2°C 64.3°C

表 14.設(shè)置#3 - 底面有60mm散熱片

設(shè)置#3 - 底面有 60 mm 散熱片 - Vin=12V,Vout=5V
輸出電流 低邊 MOSFET 溫度 高邊 MOSFET 溫度
5.0 A 34.5°C 34.9°C
10.0 A 39.2°C 40.6°C
15.0 A 45.5°C 48.0°C
20.0 A 54.8°C 58.6°C

對于所有三個散熱片,在給定的負載電流下,高邊 MOSFET 的升溫明顯比低邊 MOSFET 的升溫高。在之前的沒有散熱片和散熱片安裝在 PCB 頂面的測量中也有類似的情況。

圖20.設(shè)置#3 - 帶底面散熱片的低邊MOSFET溫度

圖21.設(shè)置#3 - 帶底面散熱片的高邊MOSFET溫度

圖20和21顯示了使用不同散熱片的低邊和高邊 MOSFET 的散熱效果比沒有使用散熱片的配置有所改善。在20.0A負載電流下,使用60mm散熱片的低邊 MOSFET 比沒有散熱片時的溫度低 29°C 左右。使用60mm散熱片的高邊 MOSFET 比沒有散熱片的溫度低約 31 °C。

與之前的測試設(shè)置類似,低負載電流下的溫差相對較小。

圖22.設(shè)置#3 - 帶底面散熱片的低邊MOSFET溫度變化

圖23.設(shè)置#3 - 帶底面散熱片的高邊MOSFET溫度變化

圖22和23顯示了在底面使用不同散熱片的高邊和低邊 MOSFET 的溫度變化。與之前在頂面具有散熱片的配置一樣,與10mm散熱片相比,具有 60mm散熱片的高邊 MOSFET 的溫度顯著降低了約19°C。對于低邊 MOSFET 也可以看到類似的情況。但25mm和60mm散熱片之間的溫差不如10mm和25mm之間的溫差顯著。此外,這種差異在較高負載電流時比在較低負載電流時更為重要。

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歷史安森美半導(dǎo)體前身是摩托羅拉集團的半導(dǎo)體元件部門,于1999年獨立上市,繼續(xù)生產(chǎn)摩托羅拉的分立晶體管,標準模擬和標準邏輯等器件。并購紀錄2000年四月,完成收購Cherry Semiconductor。2006年,完成收購位于美國俄勒岡州Gresham的LSI Logic設(shè)計和制造設(shè)施。2008年一月,以184M美元完成收購美國模擬器件公司的穩(wěn)壓及熱管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部門。2008年三月,以915M美元完成收購AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收購Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收購PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收購California Micro Devices。2010年六月,完成收購Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收購日本三洋電機的子公司三洋半導(dǎo)體(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收購賽普拉斯半導(dǎo)體(Cypress Semiconductor)的CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部門。2014年五月,完成收購Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半導(dǎo)體和富士通半導(dǎo)體宣布戰(zhàn)略合作(包括晶圓代工服務(wù)協(xié)議,及日本會津若松市富士通的8吋晶圓廠的10%權(quán)益。)2014年八月,以4億美元完成收購總部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半導(dǎo)體完成收購Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥資24億美元現(xiàn)金收購飛兆半導(dǎo)體公司。2016年八月,安森美半導(dǎo)體宣布已就出售點火IGBT業(yè)務(wù)給 Littelfuse 達成協(xié)議,出售其瞬態(tài)電壓抑制二極管和開關(guān)型晶閘管產(chǎn)品線,售價共1.04億美元現(xiàn)金。2016年九月,安森美半導(dǎo)體完成收購飛兆半導(dǎo)體公司。產(chǎn)品安森美半導(dǎo)體制造以下的各種產(chǎn)品:定制:ASIC;定制代工服務(wù);定制ULP存儲器;定制CMOS圖像傳感器;集成無源器件分立:雙極晶體管;二極管和整流器;IGBT和FET;晶閘管;可調(diào)諧組件電源管理:AC-DC控制器和穩(wěn)壓器;DC-DC控制器、轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器;熱管理;驅(qū)動器;電壓和電流管理邏輯:時鐘產(chǎn)生;時鐘及數(shù)據(jù)分配;存儲器;微控制器;標準邏輯信號管理:放大器和比較器;模擬開關(guān);音頻/視頻的ASSP;數(shù)字電位計;EMI/RFI濾波器;接口;光電、圖像及觸摸傳感器產(chǎn)品部安森美半導(dǎo)體的各個產(chǎn)品部門:模擬方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高騰博),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理圖像傳感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高級副總裁兼總經(jīng)理電源方案部(PSG) – Bill Hall(賀彥彬),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理解決方案工程中心日本:大阪; 東京中國:上海德國:慕尼黑中國臺灣:臺北美國:加州圣荷西; 俄勒岡州波特蘭; 底特律韓國:首爾設(shè)計中心美國:亞利桑那州鳳凰城(Phoenix)、亞利桑那州錢德勒(Chandler)、得州奧斯?。ˋustin)、得州普萊諾(Plano)、羅德島州東格林尼治(East Greenwich)、科羅拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、愛達荷州波卡特洛(Pocatello)、賓夕法尼亞州Lower Gwynedd、猶他州林頓(Lindon)、愛達荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯靈頓(Burlington), 滑鐵盧(Waterloo)比利時:梅赫倫(Mechelen),奧德納爾德(Oudenaarde),菲爾福爾德(Vilvoorde)法國:圖盧茲(Toulouse)德國:慕尼黑羅馬尼亞:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉發(fā)(Bratislava)愛爾蘭:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布爾諾(Brno)韓國:首爾中國臺灣:臺北印度:班加羅爾(Bangalore),諾伊達(Noida)日本:岐阜市,群馬菲律賓:德拉克市(Tarlac City)制造工廠美國:亞利桑那州鳳凰城、亞利桑那州錢德勒、俄勒岡州Gresham、愛達荷州波卡特洛、愛達荷州楠帕、緬因州南波特蘭加拿大:伯靈頓 (安大略省)比利時:奧德納爾德捷克:Roznov中國:樂山、深圳、蘇州日本:群馬縣、埼玉縣羽生市、新潟縣新潟市韓國:富川菲律賓:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿霧市馬來西亞:森美蘭州芙蓉市越南:邊和市、順安市社

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