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

　　引言

　　DC-DC转换器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。

　　降压转换器的实例

　　降压转换器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转换器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。

　　每次我们都使用简单的直流技术给一个热源供电，这样就可以以非侵入式方式测量热敏感度的系数。我们对被测器件(IC，MOSFET和电感器)施加直流电压和电流，迫使器件开始消耗能量，然后测出Pj。然后我们使用热成像摄像机测量表面温度的DTi，接着就可以用上面的等式(6)计算出Sij。

　　我们使用了新的方法学计算两个降压拓扑的主热源：一个使用SiC739D8 DrMOS IC的集成式功率级，和一个使用两个MOSFET的分立式功率级，在分立式功率级中，Si7382DP在高边，Si7192DP在低边。

　　集成式降压转换器

　　图1显示了用于集成式降压转换器的EVB前端。这里有4个热源：电感器(HS1)，驱动IC(HS2)，高边MOSFET(HS3)和低边MOSFET(HS4)。SiC739 DrMOS是一个单芯片解决方案，其内部包含的HS2、HS3和HS4靠得非常近。由于这里有4个热源，因此S是一个4×4矩阵。

　　图2显示了当低边MOSFET的体二极管是前向偏置时(AR0x Avg. => HSx)，4个热源的温度。

　　如果 TA为 23.3℃，那么，

　　测得的电流I4和电压V4分别是2.14A和0.6589V。

　　使用公式(7)中的温度信息，我们可以得到Si4，(i=1，2，3，4)

　　重复上述过程，可以得到如下的S矩阵：

　　然后解出S-1，

　　试验结果：集成式降压转换器

　　现在我们可以给SiC739 EVB上电，并使用等式(5)和(11)来计算每个热源的功率损耗。

　　热学方法和电工学方法之间的结果差异是由小热源造成的，如PCB印制线和电容器的ESR。

　　分立式降压转换器

　　使用上述步骤和图3，我们获得了分立式方案的S矩阵，不过没有考虑驱动IC的功率。

　　使用上面图4提供的信息，我们可以得到在Vin = 12V，Vo =1.3V，Io = 8A，Fs = 1MHz条件下的功率损耗。

　　P1 = 0.228W，电感器

　　P2 = 0.996W，高边 MOSFET

　　P3 = 0.789W，低边 MOSFET

　　比较等式(18)和等式(22)，我们发现，由于两个电路使用相同的电感器，两个电路具有同样的电感器损耗，这个结果和我们预想的一样。尽管分立方案中低边和高边MOSFET的rDS(on)比集成式方案MOSFET的rDS(on)分别小23%和28%，集成式降压解决方案的损耗仍然比分立式降压方案的损耗要低。

　　我们可以认定，集成式方案的频率更低，而频率则与功率损耗相关。

　　结语

　　测量高频DC-DC转换器功率损耗的新方法使用了直流功率测试，和一个热成像摄像机来测量PCB板上每个热源的表面温度。用新方法测得的功率损耗与用电工学方法测得的结果十分接近。新方法可以很容易地区分出象MOSFET这样的主热源，和象PCB印制线及电容器的ESR这样的次热源的功率损耗。试验结果表明，由于在低频下工作时的损耗小，高频集成式DC-DC转换器的整体功率损耗比分立式DC-DC转换器要低。