用于測(cè)試具有低輸出電壓和高電流的電源

機(jī)械和熱設(shè)計(jì)概覽

連接器注意事項(xiàng)

如果沒有與被測(cè)設(shè)備的良好連接，最好的電子負(fù)載電路將無法正常工作。連接應(yīng)易于接通和斷開，具有極低的電阻，并最大限度地減少電流的物理路徑長(zhǎng)度。保持大電流路徑短且面積小可降低寄生電感，而寄生電感對(duì)負(fù)載電流壓擺率性能不利。

通孔連接器是有利的，因?yàn)樗鼈兛梢赃B接到負(fù)載和電源PCB中的所有銅層。每個(gè)觸點(diǎn)的通孔引腳越多越好，因?yàn)殡娏骺梢栽诟帱c(diǎn)進(jìn)出 PCB，從而降低電阻。此外，通孔連接在物理上非常堅(jiān)固，這對(duì)于將要通過數(shù)百個(gè)連接周期投入使用的負(fù)載設(shè)備非常重要。

壓接連接器可以通過消除PCB通孔和連接器引腳之間的焊接點(diǎn)來進(jìn)一步降低電阻。與銅相比，焊料是一種相對(duì)較差的導(dǎo)體，體積電阻率大約高八倍。壓接連接在引腳和PCB銅之間形成直接電連接。

Samtec UPS和UPT系列連接器是一個(gè)絕佳的選擇，能夠以小尺寸處理非常高的電流。該系列連接器提供垂直和水平方向。引腳數(shù)范圍從 2 到 8。

每個(gè)配接觸點(diǎn)對(duì)（公頭和母頭）的電阻約為300μΩ。有效熱阻約為 200°C/W，高于環(huán)境溫度的典型接觸溫升約為 40°C，無氣流，電流為 100A（負(fù)載為 100A，電源接地返回 100A）。由于UPS和UPT直角連接器采用開放式流通式設(shè)計(jì)，因此來自電子負(fù)載風(fēng)扇的排氣氣流也會(huì)冷卻連接器，這是一個(gè)附帶的好處。

如圖2所示，交錯(cuò)電源和接地連接非常重要，以最小化連接中的磁環(huán)路面積。這反過來又將寄生電感降至最低。

圖2.交錯(cuò)電源和接地連接以最大程度地減少電感。圖片由Samtec提供。

對(duì)于較小負(fù)載設(shè)備，另一個(gè)不錯(cuò)的選擇是可以接受裸露“卡邊緣”的連接器。連接器可以駐留在負(fù)載或被測(cè)器件上，配合器件的構(gòu)造是頂部裸露的銅，底部的一側(cè)邊緣。圖3中的Samtec HSEC8-130-01-S-DV-A-WT-TR連接器是卡邊緣插座的一個(gè)很好的例子;它接受0.062英寸寬的0.994英寸PCB。

無論選擇哪種連接器，重要的是協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)工作，以便要測(cè)試的電源和電子負(fù)載都使用配對(duì)連接器構(gòu)建，小心放置以避免阻礙連接的機(jī)械障礙物。

測(cè)試供應(yīng)效率？您需要一個(gè)散熱器

專門用于測(cè)試瞬態(tài)響應(yīng)的電子負(fù)載可以設(shè)計(jì)為沒有散熱器，前提是工作占空比保持在非常低的水平。然而，用于測(cè)試電源效率的電子負(fù)載幾乎肯定需要散熱器。

帶有冷卻風(fēng)扇的鋁制散熱器可以大大降低功率組件的有效熱阻，將設(shè)計(jì)的功率處理能力從沒有氣流的PCB提高十倍。帶翅片的水槽在自然對(duì)流下表現(xiàn)良好，但“針翅式”水槽在與風(fēng)扇結(jié)合使用時(shí)通常表現(xiàn)更好。

針翅式散熱器有多種尺寸和配置可供選擇。大多數(shù)灌電流具有平坦的配接表面，但可以輕松定制，以更貼合 MOSFET 和檢測(cè)電阻。例如，F(xiàn)ront Panel Express LLC提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的免費(fèi)CAD工具，可用于定義要加工成鋁面板的型腔，從而允許散熱器配合表面和要冷卻的組件之間的精確間隙。其中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)40mm BGA散熱器的配合面進(jìn)行了加工，以清除四個(gè)MOSFET和檢測(cè)電阻對(duì)。此外，安裝螺絲孔穿過水槽，便于連接到PCB和風(fēng)扇。

從漿料到柔性板材，熱界面選項(xiàng)比比皆是

為了在電源組件和散熱器之間獲得最佳的熱連接，需要一些熱接口材料。有許多選擇，從糊劑到柔性片材。導(dǎo)熱系數(shù)是所選材料的特性，熱阻隨厚度而變化。因此，無論接口材料類型如何，組件和散熱器之間的界面材料層的厚度都應(yīng)最小化。選擇一種在易于處理和返工之間取得良好權(quán)衡的材料，并具有高導(dǎo)熱性。此外， 選擇具有物理一致性特性的材料，使其能夠形成或流入薄片，而不會(huì)對(duì) PCB 和組件施加很大的力.

熱導(dǎo)率 k 通常以 W/mK 為單位給出。值越高越好。熱阻與界面厚度成比例變化，與配合表面的面積成反比。

Θ = L / （k x A）

例如，考慮在 5mm x 6mm MOSFET 外殼和散熱器之間放置 10 mil 的 Laird Technologies Tcpm 580 相變接口材料層。界面材料導(dǎo)熱系數(shù)為3.8W/mK，因此熱阻如下：

面積：A = 5 毫米 x 6 毫米 = 30 毫米2= 0.00003m2

厚度：L = 0.010in x 0.0254m/in = 0.000254m

1K = 1°C

Θ.CS= （0.000254m） / （3.8W/mK x 0.00003m2） = 2.22°C/W

現(xiàn)在讓我們考慮一個(gè)PSMN2R0-30YLE功率MOSFET，它在0.675V的壓降下承載25A的負(fù)載電流，功耗為16.875W，如圖5所示。根據(jù)以下情況，我們預(yù)計(jì)結(jié)溫將高于散熱器溫度：

TJ= 功率 x （Θ杰克6 %.CS)

TJ= （25A x 0.675V） x （0.45°C/W + 2.22°C/W）

TJ= 16.875W x 2.67°C/W = 45.1°C

因此，為了將結(jié)溫保持在 175°C 的最大限值以下，散熱器配接面不得超過 129.9°C。

圖5.MOSFET 和檢測(cè)電阻功率與負(fù)載電流的關(guān)系。

類似的分析也適用于檢測(cè)電阻，不同之處在于結(jié)殼熱阻通常沒有等效參數(shù)。在大多數(shù)高功率檢測(cè)電阻結(jié)構(gòu)中，電阻元件和外殼基本相同，因此只需要外殼到吸收的熱阻。

除了導(dǎo)熱系數(shù)外，還必須考慮界面材料的導(dǎo)電性。在大多數(shù)應(yīng)用中，需要電絕緣材料，因?yàn)榻涌趯⑴cMOSFET和檢測(cè)電阻器上的裸露表面貼裝焊盤和引腳直接接觸。這通常排除使用一些其他高導(dǎo)熱材料，例如石墨。

布局和平面圖提示

許多“現(xiàn)成”的散熱器和鋁型材都很容易買到。事實(shí)上，在開始PCB布局之前選擇散熱器可以指導(dǎo)許多關(guān)于功率晶體管和檢測(cè)電阻器放置的決定。應(yīng)考慮到以下所有機(jī)械必需品：

功率場(chǎng)效應(yīng)管

檢測(cè)電阻

散熱器和風(fēng)扇安裝螺釘位置，包括安裝硬件（螺紋支座或其他錨）

溫度傳感IC或無源元件;例如熱敏電阻或電阻式溫度檢測(cè)器 （RTD）

電源連接器

通常，僅將功率元件放置在PCB的散熱器表面上，并將非功率器件和無源器件放置在背面或散熱器覆蓋的區(qū)域之外。這使外圍組件遠(yuǎn)離PCB最熱的區(qū)域，并簡(jiǎn)化了散熱器配接面的任何必要定制。均勻分布功率組件將創(chuàng)建更均勻的功率密度分布，從而減少局部熱點(diǎn)。

傳導(dǎo)路徑應(yīng)盡可能寬和直接。負(fù)載電流從連接器的電源引腳流過PCB銅到MOSFET漏極，從MOSFET源極流向檢測(cè)電阻的高端，最后從檢測(cè)電阻的低側(cè)流回連接器的接地引腳。理想情況下，PCB布局應(yīng)包括多層上的多邊形或平面，并帶有拼接通孔，以在這些點(diǎn)之間提供最低電阻連接。仔細(xì)規(guī)劃元件放置可以大大提高整體性能，并簡(jiǎn)化PCB走線布線。

保持散熱器冷卻

對(duì)于外形緊湊的大功率電子負(fù)載，輻射和自然對(duì)流冷卻通常不足以散熱。使用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷是最有效的冷卻技術(shù)，而不是液體冷卻。

使用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流冷卻

與自然對(duì)流散熱器相比，選擇與風(fēng)扇一起使用的散熱器有利于更厚的散熱片或引腳，間距更窄。一般的經(jīng)驗(yàn)法則是，銷或鰭應(yīng)厚 2 毫米或更大，每厘米至少有兩個(gè)或三個(gè)鰭，或每平方厘米至少六個(gè)針。在上限處，高鰭片或引腳密度和窄間距會(huì)限制氣流，因此在密度和氣流限制之間保持合理的平衡非常重要。

由于當(dāng)使用強(qiáng)制對(duì)流冷卻時(shí)，輻射冷卻對(duì)整體熱流的貢獻(xiàn)很小，因此表面處理并不重要。陽極氧化或涂層散熱器具有更好的發(fā)射率，但在強(qiáng)制對(duì)流應(yīng)用中，它們的性能不會(huì)明顯優(yōu)于裸機(jī)。

合適的散熱器通常會(huì)提供熱性能數(shù)據(jù)，如圖 6 所示，其中顯示了 Wakefield-Vette 655-53AB 散熱器的熱阻與氣流的函數(shù)關(guān)系和溫升隨功率的函數(shù)。

圖6.韋克菲爾德-維特 655-53AB 的散熱器熱特性。

如果將655-53AB散熱器與高性能40mm風(fēng)扇配對(duì)，我們可以通過將風(fēng)扇的體積流量與流路的橫截面積相結(jié)合來確定近似的熱性能。

考慮一下安裝在水槽頂部的 40 毫米方形韋克菲爾德-維特散熱器 655-53AB，該散熱器由山陽電機(jī) 9GE0412P3K03 風(fēng)扇冷卻?？諝膺M(jìn)入針翅式水槽的頂部并從側(cè)面排出。四個(gè)出口側(cè)中的每一個(gè)都有大約 1.6“ x 0.375” 的開放區(qū)域，這使得總暢通無阻的出口區(qū)域約為 2 英寸2，或約 0.015 英尺2.

風(fēng)扇產(chǎn)生標(biāo)稱每分鐘 26.8 立方英尺 （CFM） 的氣流。為了獲得以線性英尺/分鐘（LFM）為單位的等效流速，我們將CFM值除以流路面積。這產(chǎn)生的氣流速度接近2000 LFM。由于通過散熱器引腳的復(fù)雜流路中存在顯著的“風(fēng)阻”，實(shí)際流量將大大減少。如果我們將氣流降低 55%，則會(huì)產(chǎn)生大約 900 LFM 的線性流量。

圖6顯示655-53AB散熱器將表現(xiàn)出熱阻Θ房 協(xié)在 900 LFM 時(shí)約為 1.0°C/W。早些時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)我們假設(shè)設(shè)計(jì)的散熱器配接表面必須保持在129.9°C以下。 如果環(huán)境空氣溫度為25°C，我們的風(fēng)扇冷卻散熱器足以滿足高達(dá)104.9W的總連續(xù)電子負(fù)載功耗。

峰值瞬態(tài)功率水平可以大大超過連續(xù)功率能力，因?yàn)樵庋b、PCB 和散熱器的組合具有相當(dāng)大的熱容量。這種熱容量有助于相當(dāng)長(zhǎng)的熱時(shí)間常數(shù)。類似于電流源驅(qū)動(dòng)電阻和電容鏈，其中電流引導(dǎo)電壓，負(fù)載功耗是驅(qū)動(dòng)熱阻和電容鏈的熱通量。溫度將滯后于熱通量;低熱阻和大熱容將減少限時(shí)功率脈沖的每個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫升。

電子風(fēng)扇速度控制

在大多數(shù)情況下，電子負(fù)載不會(huì)一直以全功率運(yùn)行。事實(shí)上，在最大功率下的操作往往非常短暫。因此，冷卻風(fēng)扇不需要一直以最大速度運(yùn)行。

有許多有源風(fēng)扇控制器IC可用于根據(jù)PCB溫度調(diào)整風(fēng)扇速度。例如，Maxim的MAX31740提供脈寬調(diào)制（PWM）控制信號(hào)，該信號(hào)隨小型低成本負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻測(cè)得的溫度而變化。如果將熱敏電阻放置在功率元件和散熱器的物理連接附近，則冷卻風(fēng)扇速度將隨負(fù)載中的功耗而變化。這提供了符合人體工程學(xué)的好處，在負(fù)載處于低功率或空閑狀態(tài)時(shí)降低風(fēng)扇噪音，同時(shí)在負(fù)載功率高且散熱器發(fā)熱時(shí)向操作員提供聲音反饋。低功率下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的降低也降低了負(fù)載本身的功耗，并最大限度地提高了風(fēng)扇的使用壽命。

更復(fù)雜的風(fēng)扇控制IC提供負(fù)載溫度的數(shù)字遙測(cè)，并可以檢測(cè)風(fēng)扇電機(jī)故障，允許負(fù)載在被過熱損壞之前自動(dòng)關(guān)閉。

液體冷卻選項(xiàng)

強(qiáng)制風(fēng)冷的有效性受到暴露于氣流的散熱器表面積與配合面和冷卻表面之間的導(dǎo)電流路之間的權(quán)衡限制。增加風(fēng)冷表面積與配合面面積的比值往往會(huì)增加導(dǎo)電路徑的長(zhǎng)度或減小其橫截面。在某些時(shí)候，對(duì)流熱阻的降低被增加的導(dǎo)電熱阻所抵消，散熱器性能受到影響。

繞過這一限制的一種方法是引入流體傳熱介質(zhì)，該介質(zhì)可以將熱能從接觸面積小的熱源機(jī)械地傳輸?shù)酱竺娣e的散熱器，從而打破限制傳統(tǒng)散熱器性能的傳導(dǎo)傳熱瓶頸。

當(dāng)然，液體冷卻大大增加了電子負(fù)載設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且在維護(hù)、便攜性和整體可靠性方面存在更多問題。但是，在非常高的功率下，它可能是唯一可行的選擇。

由于個(gè)人計(jì)算機(jī)液體冷卻技術(shù)的進(jìn)步，可以調(diào)整現(xiàn)成的散熱器、泵和水塊以用于電子負(fù)載。

保護(hù)負(fù)載免受高溫影響

可以通過多種方式保護(hù)電子負(fù)載免受高溫和過度功耗的影響。最簡(jiǎn)單的保護(hù)是將電流測(cè)量與固定閾值進(jìn)行比較。如果超過閾值，電路將關(guān)閉控制信號(hào)或以其他方式禁用吸電流電路，防止進(jìn)一步溫升，從而保護(hù)負(fù)載中的元件。通過使用隨溫度升高而下降的閾值，可以改善這種保護(hù);例如，這可以通過使用溫度傳感器IC來實(shí)現(xiàn)，該IC輸出的電壓隨溫度線性下降。

簡(jiǎn)單過流保護(hù)的缺點(diǎn)是電流與功率不成比例，如果V。被測(cè)器電壓變化。在較高的電壓下，相同的電流表示負(fù)載中的總功率要高得多。通過添加模擬乘法器，從電壓和電流的乘積生成功率信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)功率的直接測(cè)量。

調(diào)用保護(hù)時(shí)，應(yīng)使用閉鎖比較器，以便在進(jìn)一步操作之前使負(fù)載冷卻。然后，操作員可以在降低電力需求后重置負(fù)載?；蛘?，可以將設(shè)備設(shè)計(jì)為在溫度降至安全水平時(shí)自動(dòng)重啟。

結(jié)論

實(shí)現(xiàn)有用的電子負(fù)載以測(cè)試大電流、低壓電源不僅需要仔細(xì)考慮電路設(shè)計(jì)，還需要仔細(xì)考慮熱和機(jī)械結(jié)構(gòu)。遵循本文中概述的準(zhǔn)則和原則將確保負(fù)載可以在高功率下運(yùn)行，同時(shí)保持良好的性能和可靠性。

審核編輯：郭婷