TI专家为你解答电源设计相关问题（五 ）
过去估算半导体温升十分简单。您只需计算出组件的功耗，然后采用冷却电路电模拟即可确定所需散热片的类型。现在出于对尺寸和成本因素的考虑，人们渴望能够去除散热片，这就使得这一问题复杂化了。贴装在散热增强型封装中的半导体要求电路板能够起到散热片的作用，并提供所有必需的冷却功能。如图 1 所示，热量经过一块金属贴装片和封装流入印刷线路板 （PWB）。然后，热量由侧面流经 PWB 线迹，并通过自然对流经电路板表面扩散到周围的环境中。影响裸片温升的重要因素是 PWB 中的铜含量以及用于对流导热的表面面积。
图 1 热量由侧面流经 PWB 线迹，然后从 PWB 表面扩散至周围环境。
半导体产品说明书通常会列出某种 PWB 结构下结点至周围环境的热阻。这就是说，设计人员只需将这种热阻乘以功耗，便可计算出温升情况。但是，如果设计并没有具体的结构，或者如果需要进一步降低热阻，那么就会出现许多问题。
图 2 所示为热流问题的简化电模拟，我们可据此深入分析。IC 电源由电流源表示，而热阻则由电阻表示。在各电压下对该电路求解，其提供了对温度的模拟。从结点至贴装面存在热阻，同时遍布于电路板的横向电阻和电路板表面至周围环境的电阻共同形成一个梯形网络。这种模型假设1）电路板为垂直安装，2）无强制对流或辐射制冷，所有热流均出现在电路板的铜中，3）在电路板两侧几乎没有温差。
图 2 热流电气等效简化了温升估算
图 3 所示为增加 PWB 中的铜含量对提高热阻的影响。将 1.4 mils 铜（双面，半盎司）增加到 8.4 mils（4 层，1.5 盎司），就有可能将热阻提高 3 倍。图中两条曲线：一条表示热流进入电路板、直径为 0.2 英寸的小尺寸封装；另一条表示热流进入电路板、直径为 0.4 英寸的大尺寸封装。这两条曲线均适用于 9 平方英寸的 PWB。这两条曲线均同标称数据紧密相关，同时都有助于估算改变产品说明书电路板结构所产生的影响。但是使用这一数据时需要多加谨慎，其假设 9 平方英寸 PWB 内没有其他功耗，而实际上并非如此。
图 3 热流电气等效简化了温升估算
电源设计小贴士 10：轻松估计负载瞬态响应
本篇电源设计小贴士介绍了一种通过了解控制带宽和输出滤波器电容特性估算电源瞬态响应的简单方法。该方法充分利用了这样一个事实，即所有电 路的闭环输出阻抗均为开环输出阻抗除以 1 加环路增益，或简单表述为：
图 1 以图形方式说明了上述关系，两种阻抗均以 dB-Ω 或 20*log ［Z］ 为单位。在开环曲线上的低频率区域内，输出阻抗取决于输出电感阻抗和电感。当输 出电容和电感发生谐振时，形成峰值。高频阻抗取决于电容输出滤波器特性、等效串联电阻 （ESR） 以及等效串联电感 （ESL）。将开环阻抗除以 1 加环路增益 即可计算得出闭环输出阻抗。
由于该图形以对数表示，即简单的减法，因此在增益较高的低频率区域阻抗会大大降低；在增益较少的高频率区域闭环和开环阻抗基本上是一样的。在 此需要说明如下要点：1）峰值环路阻抗出现在电源交叉频率附近，或出现在环路增益等于 1（或 0dB）的地方；以及 2）在大部分时间里，电源控制带宽都将会 高于滤波器谐振，因此峰值闭环阻抗将取决于交叉频率时的输出电容阻抗。
图 1闭环输出阻抗峰值 Zout 出现在控制环路交叉频率处
一旦知道了峰值输出阻抗，就可通过负载变动幅度与峰值闭环阻抗的乘积来轻松估算瞬态响应。有几点注意事项需要说明一下，由于低相位裕度会引起 峰化，因此实际的峰值可能会更高些。然而，就快速估计而言，这种影响可以忽略不计 ［1］ 。
第二个需要注意的事项与负载变化幅度上升有关。如果负载变化幅度变化缓慢（dI/dt较低），则响应取决于与上升时间有关的低频率区域闭环输出阻抗； 如果负载变化幅度变化极为快速，则输出阻抗将取决于输出滤波器 ESL。如果确实如此，则可能需要更多的高频旁通。最后，就极高性能的系统而言，电源 的功率级可能会限制响应时间，即电感器中的电流可能不能像控制环路期望的那样快速响应，这是因为电感和施加的电压会限制电流转换速率。
下面是一个如何使用上述关系的示例。问题是根据 200kHz 开关电源 10 amp 变化幅度允许范围内的 50mV 输出变化挑选一个输出电容。所允许的峰值输 出阻抗为：Zout=50 mV / 10 amps 或 5 毫欧。这就是最大允许输出电容 ESR。接下来就是建立所需的电容。幸运的是，ESR 和电容均为正交型，可单独处理。一 个高 （Aggressive） 电源控制环路带宽可以是开关频率的 1/6 或 30 kHz。于是在 30 kHz 时输出滤波电容就需要一个不到 5 毫欧的电抗，或高于 1000uF 的电容。 图 2 显示了在 5 毫欧 ESR、1000uF 电容以及 30 kHz 电压模式控制条件时这一问题的负载瞬态仿真。就校验这一方法是否有效的 10amp 负载变动幅度而言， 输出电压变化大约为 52mV。
图 2 仿真校验估计负载瞬态性能
评论