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测量高频开关DC-DC转换器中热应力器件功率耗散的新方法

—— A New Method for Measuring Power Dissipation in Thermally Stressed Decices of High-Frequency, Switch Mode DC-DC Converters
作者:Yuming Bai 博士,高级系统工程师,Vishay Intertechnology, Inc.时间:2010-07-05来源:电子产品世界

  引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/110581.htm

  DC-DC的效率和功率损耗是许多电子系统的一个重要特征参数。可以测量出这些特征参数,并用下面的直观方式进行表达:

  效率 = 输出功率 / 输入功率 (1)

  功率损耗 = 输入功率-输出功率 (2)

  但是对于每个元器件做为一个单独热源在损耗中所占的比重,这样的结果没有提供任何信息。我们的方法学能够解决这个问题,从而让设计者能够更好地选择针对其应用的最佳DC-DC实现方案。

  降压的实例

  降压中的主要热源是高边MOSFET、低边MOSFET和电感器。如果我们使用电工学方法来判定高边MOSFET的功率损耗,那么就必须测量漏极电流、漏源电压、栅极电流和栅源电压。不幸的是,如果不在电流路径中引入额外的电感和干扰电路的正常工作,要在高频DC-DC中测得这些数据是非常困难的。但借助热成像摄像机,我们研究出一种求解每个热源功率损耗的新方法,而且不会影响电路的工作。

  新方法的基本原理

  在一个电路中,将电能转换为热能的元器件是热源。能量转换成热会增加热源器件的和周围环境的温度。转变成热的能量就是元器件的功率损耗。整个温升(DT)取决于功率损耗(P)和环境。对于一个在固定测试台上的某块PCB板,DT是功率损耗的唯一函数。因此,如果我们测量出DT,就可以推导计算每个热源功率损耗的方法。

  为简单起见,假设在PCB板上有两个热源(HS1和HS2)。HS1工作时不但使其自身的表面温度会升高,也会提高HS2的表面温度,对HS2来说也是如此。因此,每个热源的最终DT可以用下面的等式来表示。

  这里,Sij (i, j=1,2)是热敏感度系数,与热阻的度数相同,Pi是每个热源的功率损耗。

  等式(3)也可以扩展到N个热源的情况。在这种情况下,每个热源的温升可以由下式给出:

  S是一个N×N的矩阵

  如果我们知道S的数值,就可以由下式得到每个热源的功率损耗:

  假设Sij与温度或电路的工作状态无关,那么就可以由下式确定每个Sij:

  这里,DTi是第i个热源的温升,Pj是第j个热源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。


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