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浅谈DC/DC电源模块各方面性能与温度的联系

时间:2015-03-12 09:16 点击:

 

DC/DC电源模块电源构造中首要的元器材有;脉宽调制器(操控变换功率)、光电耦合器(输入与输出阻隔,防止前后级干扰,并传递取样信息给PWM,坚持输出电压的安稳)、VDMOS(功率变换部件,利用其杰出的开关特性进步变换功率)和肖特基二极管(整流以及滤波,是功率输出的首要部件)。

 

电源模块输出电压与作业温度的联系

 

为了摸清电源模块电学参数随温度改变的状况,首要对电源模块全体进行加热,测验其输入电流、输出电流、输出电压(Vout)电学参数,试验条件:坚持输入电压28V,输出负载15Ω,输出电流1A;测验输入电流与输出电压随温度的改变。发现横块的输出电压有较显着的降低,输入电流,输出电流的改变趋势不是很显着,-其改变趋势是伴跟着温度的升高,电源模块的电压逐步减小,并且趋势非常显着,从图1中可见,加热温度在50℃,Vout为14.98 V;温度为142℃时,Vout降为14.90 V。此外,因为模块的功率是其性能的重要目标,当功率降低到必定数值,模块也会因为发生热量过多而失效。为此核算了该试验条件下模块功率随温度的改变,从图2可见模块的功率,跟着温度的升高,改变趋势愈加显着,开端较为缓慢,跟着温度的升高而逐步加速,出现玻尔兹曼指数分布。在测验中发现当温度升到150℃,模块输出电压为零。

 

为了寻觅致使电源模块的输出电压随温度升高而显着降低的首要元器材,依据模块的电路,挑选相应的元件建立电路,该电路经过测验能够完结模块的一切功用,一起因为非集成化,能够对其元件独自测验,防止了集成元件因尺度太小而难以测验的条件。下面临电源模块中的重要的元件独自加热,测验其电参数随温度的改变,一起测验电路Vout的改变。

 

元件温度性能对模块温度特性的影响

 

变压器

 

变压器在中不仅能传递能量,一起还起到了电气阻隔的效果,变压器的原边与副边线圈匝数比的不一样能够到达升压或降压的效果。在模块作业状况下,因为磁芯的涡流效应,变压器会发生许多的热量,变成模块热量发生的首要来历。试验中首要测验了变压器原边和副边线圈的电感量随温度的改变,如图3所示,从图3中可见跟着温度的升高,线圈的电感量先添加,然后小幅降低,再小幅上升,在环境温度为220℃曾经,变压器的原边与副本电感量的全体趋势是逐步添加,当温度到达220℃,磁芯温度到达居壁点,线圈的电感量敏捷降为零。对于不一样磁芯材料的变压器其居里点温度有所不一样,对于此类变压器,可知居里温度在220℃邻近。当变压器温度挨近居里点时,变压器电感量会敏捷减小,会致使输出电压敏捷降低。

试验中还测验了电路中的输入输出的其他电感元件的电感量随温度的改变。在全部加热期间,其他元件的电感量随温度改变很小,与变压器电感量改变相比能够疏忽。并且在变压器电感量降低的期间,其他电感元件的电感量改变依然较小。

 

为了校对环境温度与模块因自生热升高的温度,挑选一模块,将模块外壳穿孔,并将感温线放到变压器的圆孔内部,测验变压器的温度,经过对测验数据处理,得到变压器温度与环境温度的联系函数:y=1.18x+13。可见变压器的温度远高于电源模块的作业温度。当环境温度为150℃,感温线测验的成果约190℃,因为感温线测验点是变压器圆孔内部的空气,不是变压器的磁芯温度,因此感温线的丈量成果比实践的变压器的温度要低许多,由此能够判别变压器的磁芯温度将挨近居里点,因此当模块的环境温度超越150℃时,模块中变压器的温度将到达变压器磁芯的居里点温度,此刻模块的输出电压简直为零。

 

脉宽调制解调器(PWM)

 

PWM的首要功用是依据输出反应,调理脉冲波形的占空比,并驱动功率器材,然后得到安稳的直流输出电压。

 

在该类型电源模块中,PWM-SG3524的功用是供给两路方波信号给三极管和VDMOS,并依据方波信号的宽度操控VDMOS的导通与关断时刻。在此试验中,对电路作业状况的PWM-SG3524独自加温,并测验输出方波信号与温度的联系,测得波形没有显着改变;在加温的一起对模块的输入、输出电流电压进行记录,发现跟着PWM地点环境温度的升高输入电流与输入电压改变都很小;输出电压与输出电流改变也很小,加热PWM致使电参数改变与模块全体加热电参数相比能够疏忽。证实PWM-SG3524对模块的温度特性影响较小。

 

VDMOS

 

VDMOS(笔直双扩散场效应晶体管)在模块电路中作为开关器材,在理性负载下作业,接受高尖峰电压和大电流,具有较高的开关损耗和温升,其开关频率可高达130 kHz,在这样高的频率下作业,也许致使内部多种退化机制,致使VDMOS的性能降低,乃至失效。

  

在本试验中对DC/DC电源模块中的VDMOS独自加温,测验模块电学参数的改变,经过测验得到当温度到180℃时,输入电流随温度的升高有较为显着的添加。而输出电压、输出电流随温度的升高改变较小。此外核算模块的输出功率,判别模块是不是处在正常作业状况,经过核算可到对VDMOS独自加热到180℃时,模块的输入电流敏捷添加。而当温度升至220℃,输出电压简直没有改变,因为模块在150℃现已失效,而此刻独自加热温度现已高达180℃,远高于模块全体加热失效的温度,因此VDMOS的温度特性不是影响输出电压改变的缘由。

 

二极管(SBD)

  

在模块中运用的二极管有稳压二极管,整流二极管,其中整流二极管在电压变换过程中扮演了重要的人物。在变压器的输出端,两个整流二极管在不一起段导通,使交流脉动电压变换为直流脉动。在本试验中,对电路中的SBD独自加热,发现跟着温度的升高,模块的输出电压没有较显着的改变。因此模块在高温作业的环境下,SBD不是致使模块输出电压降低的首要因素。

 

光电耦合器

 

光电耦合器(以下简称光耦)以光为前言传输电信号。它对输入,输出电信号有杰出的阻隔效果。光耦通常由3有些构成:光的发射、光的接纳及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之宣布必定波长的光,它被光探测器接纳而发生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完结了电一光一电的变换,然后起到输入、输出阻隔的效果。因为光耦输入输出间互相阻隔,电信号传输具有单向性等特色,因此具有杰出的电绝缘才能和抗干扰才能。

  

在模块中,光耦作为阻隔输入、输出的重要部件,一起将输出端对比放大器输出的电流信号传输到PWM的9脚,而9脚是PWM的补偿端,它与对比器的反向输入端相连,操控PWM的11脚和14脚输出脉冲的宽度。然后调整模块的输出电压坚持安稳。

  

在本试验中,首要测验模块中运用的光耦NEC2705的输入端电流与输出端电流的比例系数随温度的改变,输入端所加电流为11 mA,成果标明在25℃时,该光耦的电流传输比挨近1:1,可是跟着温度的升高,输入电流不变,输出端的电流逐步减小,大概每升高10℃,光耦的电流传输比减小4%,成果如图4所示。

 

然后对作业状况中模块的光耦独自加热(模块光耦较大,可取下焊线后独自加热),丈量模块的输出电压,见图5。发现跟着温度韵升高,模块电压逐步降低,且与模块全体加热时测得的输出电压随温度上升而降低趋势基本契合。经过分析可知,跟着环境温度的升高,电源模块各元件的功耗添加,将致使模块的输出电压的降低,此刻应当经过光耦衔接的反应电路,使得PWM输出的脉宽添加,进步输出端的电压,可是因为光电耦合器的传输功率降低,不能完全将负反应的成果传输给PWM。使得PWM输出脉宽比实践较窄,即电压调整才能降低,使输出电压随环境温度上升而降低。

 

综上所述,模块温度特性表现为:在温度小于150℃的时分,模块的输出电压缓慢降低,缘由是因为光耦电流传输比的降低致使;当温度大于150℃时,电源模块输出电压敏捷降低,乃至输出电压简直为零,其缘由是此刻模块中变压器的磁芯温度挨近居里点温度(220℃)。变压器效果失效所致使。在此状况中,如果模块内部没有发生其他的损伤,当中止加热,模块温度康复到室温,模块从头加电,模块输出电压仍能康复到正常值。但是,对于本试验中测验的模块,当环境温度超越150℃左右时,因为模块变压器的磁芯温度到达间隔点,使磁芯温度升高,该正反应会使磁芯温度敏捷升高,发生的热量也更多,形成模块内部其它器材的损坏,很简单形成模块的持久损毁。

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