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詳敘工控設(shè)備電源、3D打印機電源等開關(guān)電源設(shè)計方法（六）

來源：發(fā)布時間：2019-05-21 點擊量：1041

詳敘工控設(shè)備電源、3D打印機電源等開關(guān)電源設(shè)計方法（六）

方法一、工控設(shè)備電源、3D打印機電源等開關(guān)電源的估算表面貼裝半導(dǎo)體的溫升

過去估算半導(dǎo)體溫升十分簡單。您只需計算出組件的功耗，然后采用冷卻電路電模擬即可確定所需散熱片的類型?，F(xiàn)在出于對尺寸和成本因素的考慮，人們渴望能夠去除散熱片，這就使得這一問題復(fù)雜化了。貼裝在散熱增強型封裝中的半導(dǎo)體要求電路板能夠起到散熱片的作用，并提供所有必需的冷卻功能。熱量經(jīng)過一塊金屬貼裝片和封裝流入印刷線路板 (PWB)。然后，熱量由側(cè)面流經(jīng)PWB線跡，并通過自然對流經(jīng)電路板表面擴散到周圍的環(huán)境中。影響裸片溫升的重要因素是PWB中的銅含量以及用于對流導(dǎo)熱的表面面積。
工控設(shè)備電源、3D打印機電源等開關(guān)電源設(shè)計時熱量由側(cè)面流經(jīng)PWB線跡，然后從PWB表面擴散至周圍環(huán)境。
半導(dǎo)體產(chǎn)品說明書通常會列出某種PWB結(jié)構(gòu)下結(jié)點至周圍環(huán)境的熱阻。這就是說，設(shè)計人員只需將這種熱阻乘以功耗，便可計算出溫升情況。但是，如果設(shè)計并沒有具體的結(jié)構(gòu)，或者如果需要進一步降低熱阻，那么就會出現(xiàn)許多問題。

熱流問題的簡化電模擬，我們可據(jù)此深入分析。工控設(shè)備電源、3D打印機電源等、IC電源由電流源表示，而熱阻則由電阻表示。在各電壓下對該電路求解，其提供了對溫度的模擬。從結(jié)點至貼裝面存在熱阻，同時遍布于電路板的橫向電阻和電路板表面至周圍環(huán)境的電阻共同形成一個梯形網(wǎng)絡(luò)。這種模型假設(shè)1）電路板為垂直安裝，2）無強制對流或輻射制冷，所有熱流均出現(xiàn)在電路板的銅中，3）在電路板兩側(cè)幾乎沒有溫差。

增加PWB中的銅含量對提高熱阻的影響。將1.4 mils銅（雙面，半盎司）增加到8.4 mils（4層，1.5盎司），就有可能將熱阻提高3倍。圖中兩條曲線：一條表示熱流進入電路板、直徑為0.2英寸的小尺寸封裝；另一條表示熱流進入電路板、直徑為0.4英寸的大尺寸封裝。這兩條曲線均適用于9平方英寸的PWB。這兩條曲線均同標(biāo)稱數(shù)據(jù)緊密相關(guān)，同時都有助于估算改變產(chǎn)品說明書電路板結(jié)構(gòu) 所產(chǎn)生的影響。但是使用這一數(shù)據(jù)時需要多加謹慎，其假設(shè)9平方英寸PWB內(nèi)沒有其他功耗，而實際上并非如此。

方法二：關(guān)于工控設(shè)備電源、3D打印機電源等開關(guān)電源的輕松估計負載瞬態(tài)響應(yīng)
通過了解控制帶寬和輸出濾波器電容特性估算電源瞬態(tài)響應(yīng)的簡單方法。該方法充分利用了這樣一個事實，即所有電路的閉環(huán)輸出阻抗均為開環(huán)輸出阻抗除以 1 加環(huán)路增益，或簡單表述為：
兩種阻抗均以dB-Ω或20*log [Z]為單位。在開環(huán)曲線上的低頻率區(qū)域內(nèi)，輸出阻抗取決于輸出電感阻抗和電感。當(dāng)輸出電容和電感發(fā)生諧振時，形成峰值。高頻阻抗取決于電容輸出濾波器特性、等效串聯(lián)電阻 (ESR) 以及等效串聯(lián)電感 (ESL)。將開環(huán)阻抗除以1加環(huán)路增益即可計算得出閉環(huán)輸出阻抗。

以對數(shù)表示，即簡單的減法，因此在增益較高的低頻率區(qū)域阻抗會大大降低；在增益較少的高頻率區(qū)域閉環(huán)和開環(huán)阻抗基本上是一樣的。在此需要說明如下要點：1）峰值環(huán)路阻抗出現(xiàn)在電源交叉頻率附近，或出現(xiàn)在環(huán)路增益等于1（或0dB）的地方；2）在大部分時間里，工控設(shè)備電源、3D打印機電源等開關(guān)電源控制帶寬都將會高于濾波器諧振，因此峰值閉環(huán) 阻抗將取決于交叉頻率時的輸出電容阻抗。

關(guān)于工控設(shè)備電源、3D打印機電源等開關(guān)電源的閉環(huán)輸出阻抗峰值出現(xiàn)在控制環(huán)路交叉頻率處:
一旦知道了峰值輸出阻抗，就可通過負載變動幅度與峰值閉環(huán)阻抗的乘積來輕松估算瞬態(tài)響應(yīng)。有幾點注意事項需要說明一下，由于低相位裕度會引起峰化，因此實際的峰值可能會更高些。然而，就快速估計而言，這種影響可以忽略不計。

第二個需要注意的事項與負載變化幅度上升有關(guān)。如果負載變化幅度變化緩慢（dI/dt較低），則響應(yīng)取決于與上升時間有關(guān)的低頻率區(qū)域閉環(huán)輸出阻抗；如果負載變化幅度變化極為快速，則輸出阻抗將取決于輸出濾波器ESL。如果確實如此，則可能需要更多的高頻旁通。最后，就極高性能的系統(tǒng)而言，工控設(shè)備電源、3D打印機電源等開關(guān)電源的功率級可能會限制響應(yīng)時間，即電感器中的電流可能不能像控制環(huán)路期望的那樣快速響應(yīng)，這是因為電感和施加的電壓會限制電流轉(zhuǎn)換速率。

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