【導(dǎo)讀】前面在《基于DC-DC轉(zhuǎn)換器的選型及設(shè)計(jì)詳細(xì)指南（一）》中了解了一部分DC/DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格說(shuō)明以及EMC/EMI的相關(guān)知識(shí)，接下來(lái)我們繼續(xù)了解一下DC/DC轉(zhuǎn)換器的熱管理及熱分析，還有出現(xiàn)是故障率及其可靠性。
前面在《基于DC-DC轉(zhuǎn)換器的選型及設(shè)計(jì)詳細(xì)指南（一）》中了解了一部分DC/DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格說(shuō)明以及EMC/EMI的相關(guān)知識(shí)，接下來(lái)我們繼續(xù)了解一下DC/DC轉(zhuǎn)換器的熱管理及熱分析，還有出現(xiàn)是故障率及其可靠性。
一、熱管理及熱分析
系統(tǒng)級(jí)熱設(shè)計(jì)對(duì)于DC / DC轉(zhuǎn)換器的電氣規(guī)格同樣重要。越來(lái)越多的分布式電源架構(gòu)（DPA）使用增加了熱設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。單個(gè)多路輸出AC / DC電源用于在常規(guī)電源架構(gòu)中為各種負(fù)載供電。集中式電源的使用集中了電源轉(zhuǎn)換過(guò)程的散熱，從而實(shí)現(xiàn)了直接的散熱設(shè)計(jì)。
在DPA中，單輸出AC / DC電源產(chǎn)生相對(duì)較高的分配電壓（例如12VDC或48VDC），并通過(guò)多個(gè)非隔離式降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器為低壓負(fù)載供電。 DPA體系結(jié)構(gòu)將功率轉(zhuǎn)換過(guò)程的散熱散布在整個(gè)系統(tǒng)中，并使散熱設(shè)計(jì)復(fù)雜化。使用DPA的好處是可以包括較小的總體解決方案尺寸，更高的效率和更低的成本。
DC / DC轉(zhuǎn)換器選擇注意事項(xiàng)
效率通常被認(rèn)為是最重要的規(guī)范。效率對(duì)熱管理有重大影響。因此，使用高效的DC / DC轉(zhuǎn)換器非常重要。但并不是那么簡(jiǎn)單。效率通常是在滿載條件下指定的，而DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會(huì)降額使用，并且工作功率低于滿功率，以提高系統(tǒng)可靠性。而且系統(tǒng)通常不會(huì)一直在最大功率下運(yùn)行。事實(shí)證明，為給定應(yīng)用選擇最高效的轉(zhuǎn)換器并不像初次看起來(lái)那樣簡(jiǎn)單。了解系統(tǒng)工作條件后，設(shè)計(jì)人員可以選擇效率特性符合系統(tǒng)需求的DC / DC轉(zhuǎn)換器。
此外，DPA中使用的降壓轉(zhuǎn)換器具有多種設(shè)計(jì)，每種設(shè)計(jì)都有不同的效率權(quán)衡。例如，在高負(fù)載下，同步降壓轉(zhuǎn)換器比非同步降壓轉(zhuǎn)換器效率更高。但是最佳選擇取決于系統(tǒng)的運(yùn)行特性。與同步設(shè)計(jì)相比，非同步降壓在輕載條件下通常更為有效。在大量時(shí)間在低功率水平下運(yùn)行且僅偶爾需要峰值功率的系統(tǒng)中，非同步降壓可以提供更高的整體運(yùn)行效率。由于其設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，因此非同步降壓的成本更低，并且更可靠。
額定12V輸入和1.5V輸出的同步和非同步DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率比較。圖片：德州儀器（Texas Instruments）
在要求最高效率的系統(tǒng)中，新興的半導(dǎo)體材料（例如氮化鎵（GaN））的使用可以提供更高的效率和更小的尺寸。GaN是一種寬帶隙材料，具有比傳統(tǒng)硅更高的導(dǎo)電性。與硅器件相比，GaN晶體管更小，具有相同導(dǎo)通電阻的較低電容。零QRR可減少高頻損耗。GaN的開(kāi)關(guān)性能可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，更高的頻率，更高的開(kāi)關(guān)精度，更高的總線電壓和更少的電壓轉(zhuǎn)換損耗。
硅與氮化鎵（GaN）的48V至12V DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率比較。 （圖片：EPC）
在散熱設(shè)計(jì)和散熱能力方面，并非所有板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器都相同。有些在絕緣金屬基板上構(gòu)建，以增強(qiáng)熱性能。有些包含用于改善導(dǎo)熱性的散熱孔，有些則開(kāi)始使用3D封裝，該封裝使用堆疊的，嵌入式的或平面的組件顯著減小尺寸。
減小物理尺寸不僅增加了功率密度，而且減少了寄生效應(yīng)和較小的電流環(huán)路，這意味著，即使使用MHz的開(kāi)關(guān)頻率，也可以將EMI控制好。權(quán)衡使熱管理可能變得更加復(fù)雜。DC-DC轉(zhuǎn)換器的整體溫度性能在很大程度上取決于最終應(yīng)用。
隨著不斷受限的電路板空間中性能的提高，需要諸如3D電源封裝之類的技術(shù)進(jìn)步來(lái)確保功耗不會(huì)迅速增加。否則，性能極限將取決于溫度，而不是設(shè)計(jì)的最大功率。圖片：RECOM
系統(tǒng)熱分布
熱量管理始于在設(shè)計(jì)階段通過(guò)系統(tǒng)熱分布圖測(cè)量工作溫度來(lái)識(shí)別發(fā)熱點(diǎn)和其他重點(diǎn)區(qū)域。對(duì)于特定的操作環(huán)境而言，熱圖對(duì)于實(shí)現(xiàn)正確的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是必需的。它有助于確定系統(tǒng)運(yùn)行期間需要監(jiān)視（測(cè)量）的區(qū)域。
如果使用紅外（IR）攝像機(jī)進(jìn)行的熱成像表明一個(gè)或多個(gè)熱點(diǎn)PCB的溫度高于預(yù)期溫度，這可能表明存在問(wèn)題。重要的是要考慮到靠近較高熱量附近的組件；他們可能會(huì)經(jīng)歷長(zhǎng)期的老化影響。為了檢測(cè)熱點(diǎn)，需要足夠的幾何分辨率。只有通過(guò)足夠數(shù)量的像素才能很好分辨的細(xì)節(jié)以及正確測(cè)量。因此，高分辨率紅外攝像機(jī)系統(tǒng)是在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的不錯(cuò)選擇。
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常將高分辨率紅外攝像頭系統(tǒng)用于熱成像。圖片：InfraTec
與熱電偶或點(diǎn)測(cè)高溫計(jì)不同，高分辨率紅外熱像儀可以在系統(tǒng)和設(shè)備上獲取準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。而且散熱設(shè)計(jì)并非一成不變。在不斷變化的系統(tǒng)運(yùn)行狀況下，整個(gè)系統(tǒng)的散熱通常會(huì)變化（有時(shí)會(huì)迅速變化）。一些紅外熱像儀可以記錄高速數(shù)據(jù)，并具有表征快速熱瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱條件所需的靈敏度和空間分辨率。
監(jiān)控?zé)嵝阅?/div>
內(nèi)置熱關(guān)斷功能通常用于板裝DC / DC轉(zhuǎn)換器，連續(xù)監(jiān)控轉(zhuǎn)換器的工作溫度通常非常有用，以下是可用于熱監(jiān)控的組件的兩個(gè)示例。
熱敏電阻是隨溫度變化的電阻，通常由導(dǎo)電材料制成，例如金屬氧化物陶瓷或聚合物。最常見(jiàn)的熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)（NTC）為負(fù)，通常稱為NTC。使用NTC需要信號(hào)調(diào)理。熱敏電阻通常與分壓器中的固定值電阻器一起使用，其輸出使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行數(shù)字化。
顯示熱敏電阻如何與ADC接口的基本電路。電阻R1和熱敏電阻形成一個(gè)分壓器，其輸出電壓取決于溫度。 （圖片：Maxim）
溫度傳感器IC利用PN結(jié)的熱特性。由于它們是使用常規(guī)半導(dǎo)體工藝構(gòu)建的有源電路，因此它們可以采用多種形式，并具有多種功能（例如數(shù)字接口，ADC輸入和風(fēng)扇控制功能）。溫度傳感器IC的工作溫度范圍從-55°C到+ 125°C，一些器件的工作溫度上限約為+ 150°C。
二、故障率及可靠性
板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的可靠性對(duì)于理解和量化非常重要。它是隨時(shí)間變化的系統(tǒng)或設(shè)備故障發(fā)生頻率的度量?？煽啃允怯^察到的故障率，它定義為兩次故障之間的時(shí)間（以小時(shí)為單位），稱為平均故障間隔時(shí)間（MTBF），或者直到第一次故障之間的時(shí)間（也以小時(shí)為單位），稱為平均故障間隔時(shí)間（MTTF）。有時(shí)，可靠性是通過(guò)MTBF數(shù)字的倒數(shù)（基于109小時(shí)）來(lái)量化的，稱為時(shí)間失敗單位（FIT）：FIT = 109 / MTBF。
每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)故障率λ，它是每單位時(shí)間發(fā)生故障的單元數(shù)——故障率在設(shè)備的整個(gè)生命周期中以可預(yù)測(cè)的方式變化。當(dāng)繪制為故障率與時(shí)間的關(guān)系時(shí)，通常稱為可靠性浴盆曲線。它顯示了早期故障率的總和，以及產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的恒定（隨機(jī)）故障率，再加上壽命終止時(shí)的磨損率。
浴盆曲線用于說(shuō)明觀察到的電子系統(tǒng)故障率。圖片：維基百科
在產(chǎn)品壽命的第一階段，由于材料缺陷或制造錯(cuò)誤（未在最終測(cè)試和檢查中發(fā)現(xiàn)）而導(dǎo)致所謂的失效，因此故障率不斷下降，λ下降。板裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器的大多數(shù)失效發(fā)生在運(yùn)行的最初24小時(shí)內(nèi)。
在電子產(chǎn)品中，Arrhenius方程用于確定在給定溫度下工作組件的預(yù)計(jì)壽命。它適用于化學(xué)方法，可測(cè)量與溫度有關(guān)的反應(yīng)速率，并觀察到將溫度降低10°C將使產(chǎn)品可靠性提高一倍。相反，提高工作溫度會(huì)加快電子設(shè)備的故障率。
Arrhenius方程是電子設(shè)備和系統(tǒng)失效的理由。例如，剛制造的DC / DC轉(zhuǎn)換器在老化室內(nèi)在滿負(fù)荷和高溫下運(yùn)行約4小時(shí)，可以消除許多早期失效現(xiàn)象。通常使用40或50°C進(jìn)行老化，有時(shí)會(huì)進(jìn)一步使用較高的溫度和較高的濕度。高可靠性DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會(huì)進(jìn)行24小時(shí)老化。
在產(chǎn)品和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，用于高度加速壽命測(cè)試（HALT）和高度加速應(yīng)力篩選（HASS）的加速應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的弱點(diǎn)。執(zhí)行HALT和HASS可以最大限度地提高實(shí)驗(yàn)室效率，同時(shí)降低與保修和召回相關(guān)的成本，從而提高產(chǎn)品可靠性。HALT和HASS使用溫度和振動(dòng)應(yīng)力來(lái)消除設(shè)計(jì)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出更可靠的產(chǎn)品并篩除早期產(chǎn)品故障問(wèn)題。HALT和HASS決定了產(chǎn)品的運(yùn)行和破壞極限，因?yàn)樵趯?duì)產(chǎn)品施加壓力的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了功能測(cè)試并不斷監(jiān)測(cè)其故障。
HALT和HASS測(cè)試箱用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品測(cè)試。圖片：Thermotron
在大多數(shù)DC / DC轉(zhuǎn)換器的使用周期中，除了初始故障率之外，它們會(huì)經(jīng)歷恒定的故障率λ，并且可靠性曲線基本上是平坦的。恒定故障率持續(xù)的時(shí)間取決于各種因素，例如應(yīng)用環(huán)境的固有應(yīng)力，所用組件的質(zhì)量，DC / DC轉(zhuǎn)換器的制造質(zhì)量等等。隨著在產(chǎn)品使用壽命到期時(shí)的磨損過(guò)程中，故障率會(huì)不斷提高。
預(yù)測(cè)可靠性
預(yù)測(cè)可靠性的兩個(gè)最常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性預(yù)測(cè)程序SR-332。這些和其他可靠性預(yù)測(cè)部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217最初是由美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)的，可產(chǎn)生MTBF和MTTF數(shù)據(jù)，而Telcordia SR-332是為電信行業(yè)開(kāi)發(fā)的，可產(chǎn)生FIT數(shù)據(jù)。當(dāng)前，MIL-HDBK-217是使用最廣泛的可靠性計(jì)算方法。
可以使用零件計(jì)數(shù)分析（PCA），零件應(yīng)力分析（PSA）或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)證明，通過(guò)幾種方式預(yù)測(cè)和量化可靠性。這些量化可靠性的方法中的每一種對(duì)于電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都有特定的用途。PCA需要最少的數(shù)據(jù)，通常在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用。PCA分析僅根據(jù)物料清單和預(yù)期用途得出估算的產(chǎn)品故障率λP，從而可以計(jì)算仍在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的MTBF：λP=（ΣNCλC）（1 + 0.2πE）πFπQπL（公式來(lái)源：RECOM）
其中：
NC =零件數(shù)（每種組件類型）
λC=從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取的每個(gè)零件的故障率
πE=特定于應(yīng)用的環(huán)境壓力因子
πF=混合函數(shù)應(yīng)力c通過(guò)組件交互
πQ=標(biāo)準(zhǔn)零件或預(yù)篩選零件的篩選水平
πL=成熟因子是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)還是新方法
為使用的每個(gè)組件計(jì)算PCA，并通過(guò)將所有單個(gè)預(yù)測(cè)相加得出總可靠性預(yù)測(cè)。
用于簡(jiǎn)單DC / DC轉(zhuǎn)換器的PCA可靠性分析。（表：RECOM）
MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲線擬合從現(xiàn)場(chǎng)操作和測(cè)試獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供恒定故障率模型。像PCA分析一樣，PSA模型具有恒定的基本故障率，該故障率由環(huán)境，溫度，應(yīng)力，質(zhì)量和其他因素決定。但是PSA方法假定沒(méi)有對(duì)一般恒定故障率的修正。盡管它廣泛適用于板載DC / DC轉(zhuǎn)換器等器件，但MIL-HDBK-217方法最初旨在提供零件的結(jié)果，而不是設(shè)備或子系統(tǒng)的結(jié)果。
MIL-HDBK-217和Telcordia SR-332的主要概念相似，但是Telcordia SR-332還具有合并老化、現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)的能力，可用于貝葉斯分析方法。貝葉斯推斷是一種統(tǒng)計(jì)推斷的方法，其中隨著更多證據(jù)或信息的獲得，貝葉斯被用于更新假設(shè)的概率。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
DC / DC轉(zhuǎn)換器故障率分析的重點(diǎn)是工作溫度，輸入電壓和輸出功率，以估算整體應(yīng)力。良好的熱管理是使用板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可靠系統(tǒng)的最重要方面。良好的熱管理始于了解轉(zhuǎn)換器的效率如何影響系統(tǒng)性能。采用更高限額的產(chǎn)品始終是一個(gè)好習(xí)慣。標(biāo)稱性能規(guī)格并非始終是最佳選擇。與其查看指定的典型額定值，不如查看最壞情況的額定值，特別是為了提高效率，通常是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。
用諸如上圖所示的管腳兼容的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器可顯著提高效率，減少熱量并有助于提高可靠性。圖片：RECOM
效率通常是在25°C時(shí)指定的，但對(duì)于在較高溫度下運(yùn)行的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很常見(jiàn)的。隨著溫度升高，功率半導(dǎo)體和電路板走線的損耗會(huì)增加。銅的溫度系數(shù)為+ 0.393％/°C。如果溫度比室溫高1°C，電阻將增加0.393％。轉(zhuǎn)換器效率隨輸入電壓而變化，并隨輸入與標(biāo)稱電壓的變化而降低。
結(jié)果，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行熱成像對(duì)于識(shí)別熱點(diǎn)和其他關(guān)注區(qū)域是必要的。通過(guò)熱映射，可以針對(duì)特定的操作環(huán)境設(shè)計(jì)正確的熱管理系統(tǒng)。它有助于確定系統(tǒng)運(yùn)行期間需要監(jiān)視（測(cè)量）的區(qū)域。熱映射還可以識(shí)別點(diǎn)熱源，例如線性穩(wěn)壓器，可能需要用效率更高的板載DC / DC轉(zhuǎn)換器（例如，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器）代替。
盡管熱管理是主要考慮因素，但不應(yīng)忽視輸入電壓的特性。在臨界值的高線或低線下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)降低可靠性，而輸入端的浪涌，尖峰和靜電放電（ESD）也會(huì)降低產(chǎn)品性能和壽命。在轉(zhuǎn)換器的輸入端使用保護(hù)裝置可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。
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