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。