【導讀】自動駕駛是所有汽車 OEM 在這個時代麵臨的新一波重要趨勢，車輛內的電子控製單元（ECU）數量急劇增加。其中涵蓋了諸多應用
，例如駕駛輔助攝像頭、數據融合 ECU 以及它們各自的功耗管理。根據應用和操作範圍，預調節器的輸出功率範圍不等，小至停車輔助 ECU 的幾瓦特，大至數據融合 ECU 的上百瓦特。本係列文章將傳達使用散熱片降低電子器件熱應力的潛在意義，以及係統熱性能與各種因素（例如散熱片的位置和尺寸）的相關性。

本文為第一部分，將首先描述用於執行測量的設置、測(ce)試(shi)板(ban)的(de)簡(jian)要(yao)概(gai)述(shu)以(yi)及(ji)用(yong)於(yu)實(shi)驗(yan)的(de)各(ge)種(zhong)散(san)熱(re)片(pian)。測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)將(jiang)在(zai)後(hou)續(xu)的(de)文(wen)章(zhang)中(zhong)介(jie)紹(shao)並(bing)總(zong)結(jie)在(zai)設(she)計(ji)高(gao)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)預(yu)調(tiao)節(jie)器(qi)時(shi)使(shi)用(yong)散(san)熱(re)片(pian)的(de)效(xiao)果(guo)。

設置

圖 1 描述了用於測試板熱評估的設置
，包括以下儀器

●  電源 Toellner TOE8872

●  電子負載 Prodigit 3311C

●  功率分析儀 Fluke Norma 5000

●  Keysight 多通道數據記錄器 34970A

●  被測器件(DUT)

圖1 測試設置

電流從電源 OUT 端口流向功率分析儀輸入電流端口I1-IN，功率分析儀在此進行測量。然後它通過 I1-OUT 從功率分析儀流出到被測器件(DUT)的 VIN 端口。電源分析儀 V1 連接到DUT VIN 端口以測量輸入電壓。電源的 GND 連接到 DUT 和功率分析儀的 GND。

在輸出側，電流從 DUT VOUT 端口流向功率分析儀輸入電流端口I2-IN

，功率分析儀在此處進行測量。然後它通過I2-OUT 從功率分析儀流出到直流電子負載的 CH1 端口，這裏設置了DUT 負載電流。功率分析儀 V2 連接到 DUT VOUT 端口以測量輸出電壓。功率分析儀的GND 連接到 DUT 和直流電子負載的 GND。

該電源具有傳感功能
，可保持提供給 DUT 的電壓恒定 (補償電纜損耗)，並在傳感器線路出現斷路時保護敏感負載。數據記錄器會測量 DUT 上不同 IC 組件的溫度。

整個係統是完全自動化的，以便確保精確和可重複的結果。基於 Pvthon 的軟件會控製整個設置，從設置輸入電壓和輸出負載
，到測量組件的溫度和計算整體係統效率。圖 2 顯示了軟件的 GUI。

圖2 軟件 GUI

測試板和散熱片

為了評估不同散熱片的性能和影響，我們設計了一個基於 100 W 汽車預調節器設計的專用板，且針對熱評估進行了優化。圖3 顯示了具有 5V 輸出電壓和高達 20 A輸出電流能力的同降壓壓轉換器的原理圖。汽車降壓控製器 NCV881930 具有 410 kH 的固定開關頻率。它驅動兩個符合汽車標準的 40 V MOSFET NVMFS5C460NL(帶底麵裸露焊盤的 SO-8FL)，它們並聯在降壓轉換器的高邊 (HS) 和低邊(LS)
，以實現高達 20 A 的高輸出電流。

圖3 測試板原理圖

對布局進行以下修改
，可以對電路板進行熱評估：

●  增加了 PCB 總尺寸，以允許在 PCB 的頂麵和底麵安裝一個 50mm x 50mm 的散熱片；

●  為散熱片提供安裝孔；

●  為 PCB 底麵的電感器提供額外的占位麵積。

圖 4 和圖 5 顯示了頂麵和底麵，以及在 PCB 的頂麵和底麵安裝散熱片的可能性。

圖4 DUT頂麵

圖5 DUT底麵

通過上述配置，有三種可能的且已經過分析的測試設置如下:

表1 測試設置

從機械角度來看，將散熱片正確且可更換地安裝到 PCB 上是最具挑戰性的部分。對於任何配置
，在散熱片和散熱表麵之間必須有一個薄膜間隙墊，以實現良好的導熱性。發射表麵(如PCB 或 MOSFET 的封裝)從cong來lai都dou不bu是shi完wan全quan平ping坦tan和he平ping行xing於yu散san熱re片pian的de，因yin此ci間jian隙xi墊dian確que保bao了le兩liang者zhe之zhi間jian良liang好hao的de層ceng狀zhuang界jie麵mian。材cai料liao選xuan擇ze起qi著zhe重zhong要yao作zuo用yong，顯xian著zhu影ying響xiang熱re性xing能neng。例li如ru，一yi個ge需xu要yao承cheng受shou高gao電dian壓ya的de材cai料liao的de熱re阻zu總zong是shi比bi基ji於yu石shi墨mo的de導dao電dian材cai料liao高gao得de多duo。

對於本測試設置，選擇了厚度為 0.5 mm 的 KERAFOL“SOFTTHERM”材料，請參見表 2。所有測量均使用 3.0 W/(m·K) 材料進行
，其熱阻為 0.41 KW。6.0 W/(m·K) 材料(熱阻為 0.20 KW) 僅在本白皮書未尾用於兩種材料的比較。

表 2.薄膜間隙墊

●  熱導率是一種材料屬性，不受幾何形狀(即形狀或尺寸) 的影響。它描述了內部導熱能力,在比較不同材料時是一個有用的參數。

●  熱阻描述了具有一定厚度的材料如何抵抗熱流。由於厚度與熱阻直接相關
，較薄的材料比較厚的材料具有更好的熱傳遞。

●  熱阻抗取決於形狀或尺寸、厚度和壓力。這是一個比較符合實際情況的值，因為所有變量如表麵的平整度、壓力等，都針對特定應用進行了考慮。

用yong於yu連lian接jie散san熱re片pian的de扭niu矩ju也ye會hui影ying響xiang熱re阻zu抗kang。通tong常chang，壓ya縮suo越yue高gao，熱re阻zu越yue低di。這zhe是shi因yin為wei壓ya縮suo降jiang低di了le整zheng體ti厚hou度du並bing增zeng加jia了le材cai料liao的de密mi度du。這zhe兩liang個ge因yin素su都dou提ti高gao了le導dao熱re性xing。厚hou度du為wei 5 mm 的 86/300 SOFTTHERM 材料在零壓下的熱阻為 4.1 KW。30 N/cm2 的壓力會使厚度變為 3.7 mm
，熱阻降低到 3.0 KW。這種材料的最薄版本厚度為 0.5 mm。在這種情況下，當施加 30 Ncm的最大壓力時
，材料可以壓縮到 0.3 mm。同時，熱阻從 0.4 K/W 下降到 0.25 KW。壓力過高會損壞薄膜間隙墊
，例如導致泄漏。例如，對於 86/300  SOFTTHERM，壓縮量不應超過原始厚度的 30%。

對(dui)於(yu)本(ben)測(ce)試(shi)設(she)置(zhi)，壓(ya)力(li)的(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)不(bu)是(shi)必(bi)需(xu)的(de)，隻(zhi)要(yao)過(guo)高(gao)的(de)扭(niu)矩(ju)或(huo)壓(ya)力(li)不(bu)會(hui)損(sun)壞(huai)薄(bo)膜(mo)間(jian)隙(xi)墊(dian)和(he)機(ji)械(xie)設(she)置(zhi)即(ji)可(ke)。最(zui)關(guan)鍵(jian)的(de)一(yi)點(dian)是(shi)
，用(yong)於(yu)每(mei)個(ge)散(san)熱(re)片(pian)和(he)每(mei)種(zhong)設(she)置(zhi)的(de)壓(ya)力(li)必(bi)須(xu)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de);否則，結果將無法比較。如前所述
，壓力和熱阻之間的關係清楚地表明壓力會顯著影響整個係統的熱性能。考慮厚度為 0.5 mm 的薄膜間隙墊
，從 30 N/cm2 的最大壓力降到零壓力後，熱阻增加 60%。

一種相對簡單但可靠的設置是基於彈簧的，它通常用於在計算機 CPU 上安裝散熱片。在這種機械設置中
，螺釘將彈簧固定到位，將散熱片壓到 CPU 的頂麵。壓力取決於彈簧的彈力,而不是螺釘的扭矩，因為它們不會對散熱片或 CPU 施加壓力。

圖6顯示了將散熱片安裝到 PCB 上的設置。電感器和 MOSFET 位於底麵，熱量通過 PCB散發到散熱片。在 PCB 的熱點周圍放置了無數的過孔，以降低 PCB 的熱阻，改善 PCB 中的垂直熱流。散熱片和 PCB zhijiandebomojianxidiankeyishirenhecucaohebujunyundebiaomianbianpingzheng，yizuidaxiandudijianshaorezu。sanrepianjuyouyongyujiangsanrepianhedanhuanggudingdaoweideluodingdeluowen。danhuangyouluodingqingqingyuya，shisanrepianyazai PCB 上shang。彈dan簧huang被bei壓ya縮suo的de長chang度du與yu其qi彈dan力li成cheng正zheng比bi，所suo有you四si個ge彈dan簧huang都dou需xu要yao具ju有you相xiang同tong的de長chang度du才cai能neng為wei每mei個ge固gu定ding點dian施shi加jia相xiang同tong的de壓ya力li。對dui每mei個ge設she置zhi使shi用yong相xiang同tong的de彈dan簧huang長chang度du和he機ji械xie力li可ke確que保bao可ke複fu現xian和he可ke比bi較jiao的de結jie果guo。

圖6 PCB 上的散熱片

圖7顯示了在 MOSFET 頂麵帶有散熱片的配置。設置是一樣的，隻需將電感器放置在底麵，以便將散熱片安裝在 MOSFET 的頂麵。

圖7 MOSFET 上的散熱片

測量中使用了 Fischer Elektronik 的三種底麵積為 50 x 50 mm 不同散熱片，請參見表 3。

表3 散熱片概述

xuanzetamendeyuanyinshi，zaigeidinggezigaodudeqingkuangxia，tamengeziderezuzhijiancunzaixianzhuchayi。suizhemeicigaodudezengjia，rezudayuejianxiaoerfenzhiyi。zheyingyouzhuyuqingchudiqufenbutongsanrepianderexingneng。

MOSFET 之間的功率分配

理解以下測量結果對於正確理解高邊和低邊 MOSFET 之間的損耗和損耗分配至關重要。因此
，為了解主要來源，所有與 MOSFET 相關的損耗都需計算。將肖特基二極管與低邊MOSFET 並聯放置可防止反向恢複損耗，並且死區時間損耗從低邊 MOSFET 轉移到肖特基二極管。

輸出功率

輸入功率

總損耗

分流損耗

電感損耗

高邊 MOSFET 導通損耗

低邊 MOSFET 導通損耗

肖特基二極管的死區時間損耗

在從高邊到低邊 MOSFET 的電流轉換期間(反之亦然)

，所有 MOSFET 都關閉一段特定的時間，稱為“死區時間”。在此短時間內 (典型值為 20 ns)，電流流過低邊 MOSFET 的體極管。如果將額外的肖特基二極管與低邊 MOSFET 並聯放置
，則死區期間的電流會流過肖特基二極管
，因為它的正向電壓(典型值為 0.485 V) 低於體二極管 (典型值為 0.86 V)。shiyongxiaotejierjiguandelingyigezhuyaohaochushibimiantierjiguandefanxianghuifusunhao，yinweixiaotejierjiguanmeiyoufanxianghuifusunhao。youyuzhengxiangyajiangdaozhidesiqushijiansunhaochuxianzaixiaotejierjiguanshang，bixukaolv IL,MIN (關閉低邊 MOSFET) 和IL,MAX (打開低邊 MOSFET)。

電容損耗

高邊 MOSFET 的輸出電容在 toff 期間被充電至(Vin- Vf)。通過打開 MOSFET
，導通電阻縮短了輸出電容
；因此，儲存的能量被轉化為熱量。

與其他損耗相比
，電容損耗最小
，因此在以下計算中忽略不計。

開關損耗

kaiguansunhaohennanbeigusuan
，yinweitaqujueyufuzadecanshu
，liruzhajiqudongqijixiandejishengdiangan。yinci
，zaizhezhongqingkuangxia，jiangshiyongbutongdefangfalaiceding。ruguocongzongsunhaozhongjianqusuoyouyizhihejisuandesunhao，zeshengxiadejiushizongkaiguansunhao。dangran

，PCB 的銅電阻也會產生一些損耗
，但由於大小未知和不占主導，它們也會被忽略。

由於低邊 MOSFET 的開關電壓幾乎為零 (漏極-源極電壓等於 MOSFET 導通和關斷時的二極管正向電壓)，計算出的大部分開關損耗都是由高邊 MOSFET 引起的。

高邊 MOSFET 總損耗

低邊 MOSFET 總損耗

根據上述計算，高邊 MOSFET 的總損耗比低邊 MOSFET 高得多，因此可以假設高邊MOSFET 的升溫遠高於低邊 MOSFET 的升溫。圖8 顯示了低邊 MOSFET 在所有負載電流下的損耗小於 1.0 W，而高邊 MOSFET 在 20.0 A 負載電流下的損耗大於 6.0 W。

圖8 MOSFET損耗

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

電源模塊輸出為何振蕩

？

應對汽車ADAS電源管理設計挑戰
，誰是你心儀的“芯”方案？

ADI助力變送器從傳統環路供電到工業4.0智能化轉變

進軍軟磁材料 龍磁科技將如何整合原有優勢

為什麼去耦電容器很重要