用于测试具有低输出电压和高电流的电源设计

本教程是关于高性能电子负载的三部分系列中的第三部分，用于测试具有低输出电压和高电流的电源。本期讨论机械和散热设计，包括连接器、散热器和冷却以及过功率保护。

机械和热设计概览

连接器注意事项

如果没有与被测设备的良好连接，最好的电子负载电路将无法正常工作。连接应易于接通和断开，具有极低的电阻，并最大限度地减少电流的物理路径长度。保持大电流路径短且面积小可降低寄生电感，而寄生电感对负载电流压摆率性能不利。

通孔连接器是有利的，因为它们可以连接到负载和电源PCB中的所有铜层。每个触点的通孔引脚越多越好，因为电流可以在更多点进出 PCB，从而降低电阻。此外，通孔连接在物理上非常坚固，这对于将要通过数百个连接周期投入使用的负载设备非常重要。

压接连接器可以通过消除PCB通孔和连接器引脚之间的焊接点来进一步降低电阻。与铜相比，焊料是一种相对较差的导体，体积电阻率大约高八倍。压接连接在引脚和PCB铜之间形成直接电连接。

Samtec UPS和UPT系列连接器是一个绝佳的选择，能够以小尺寸处理非常高的电流。该系列连接器提供垂直和水平方向。引脚数范围从 8 到 1。<>引脚版本的示例如图<>所示。

图1.Samtec UPT 和 UPS 8 针连接器。图片由Samtec提供。

每个配接触点对（公头和母头）的电阻约为300μΩ。有效热阻约为 200°C/W，高于环境温度的典型接触温升约为 40°C，无气流，电流为 8A（负载为 100A，电源接地返回 100A）。由于UPS和UPT直角连接器采用开放式流通式设计，因此来自电子负载风扇的排气气流也会冷却连接器，这是一个附带的好处。

如图2所示，交错电源和接地连接非常重要，以最小化连接中的磁环路面积。这反过来又将寄生电感降至最低。

图2.交错电源和接地连接以最大程度地减少电感。图片由Samtec提供。

对于较小负载设备，另一个不错的选择是可以接受裸露“卡边缘”的连接器。连接器可以驻留在负载或被测器件上，配合器件的构造是顶部裸露的铜，底部的一侧边缘。图8中的Samtec HSEC130-01-3-S-DV-A-WT-TR连接器是卡边缘插座的一个很好的例子;它接受0.062英寸宽的0.994英寸PCB。

图3.Samtec 卡边缘插座，部件号 HSEC8-130-01-S-DV-A-WT-TR。图片由Samtec提供。

无论选择哪种连接器，重要的是协调设计工作，以便要测试的电源和电子负载都使用配对连接器构建，小心放置以避免阻碍连接的机械障碍物。

测试供应效率？您需要一个散热器

专门用于测试瞬态响应的电子负载可以设计为没有散热器，前提是工作占空比保持在非常低的水平。然而，用于测试电源效率的电子负载几乎肯定需要散热器。

带有冷却风扇的铝制散热器可以大大降低功率组件的有效热阻，将设计的功率处理能力从没有气流的PCB提高十倍。带翅片的水槽在自然对流下表现良好，但“针翅式”水槽在与风扇结合使用时通常表现更好。

针翅式散热器有多种尺寸和配置可供选择。大多数灌电流具有平坦的配接表面，但可以轻松定制，以更贴合 MOSFET 和检测电阻。例如，Front Panel Express LLC提供了一个简单的免费CAD工具，可用于定义要加工成铝面板的型腔，从而允许散热器配合表面和要冷却的组件之间的精确间隙。图4显示了一个例子，其中对标准40mm BGA散热器的配合面进行了加工，以清除四个MOSFET和检测电阻对。此外，安装螺丝孔穿过水槽，便于连接到PCB和风扇。

图4.40mm 散热器配接表面经过修改，以适应 MOSFET 和检测电阻器的位置。

从浆料到柔性板材，热界面选项比比皆是

为了在电源组件和散热器之间获得最佳的热连接，需要一些热接口材料。有许多选择，从糊剂到柔性片材。导热系数是所选材料的特性，热阻随厚度而变化。因此，无论接口材料类型如何，组件和散热器之间的界面材料层的厚度都应最小化。选择一种在易于处理和返工之间取得良好权衡的材料，并具有高导热性。此外， 选择具有物理一致性特性的材料，使其能够形成或流入薄片，而不会对 PCB 和组件施加很大的力.

热导率 k 通常以 W/mK 为单位给出。值越高越好。热阻与界面厚度成比例变化，与配合表面的面积成反比。

Θ = L / （k x A）

例如，考虑在 10mm x 580mm MOSFET 外壳和散热器之间放置 5 mil 的 Laird Technologies Tcpm 6 相变接口材料层。界面材料导热系数为3.8W/mK，因此热阻如下：

面积：A = 5 毫米 × 6 毫米 = 30 毫米2= 0.00003m2

厚度：L = 0.010 英寸 × 0.0254米/英寸 = 0.000254米

1K = 1°C

ΘCS = (0.000254m) / (3.8W/mK ×0.00003m2) = 2.22°C/W

现在让我们考虑一个PSMN2R0-30YLE功率MOSFET，它在25.0V的压降下承载675A的负载电流，功耗为16.875W，如图5所示。根据以下情况，我们预计结温将高于散热器温度：

TJ = Power ×(ΘJC + ΘCS)

TJ= (25A ×0.675V) ×(0.45°C/W + 2.22°C/W)

TJ = 16.875W ×2.67°C/W = 45.1°C

因此，为了将结温保持在 175°C 的最大限值以下，散热器配接面不得超过 129.9°C。

图5.MOSFET 和检测电阻功率与负载电流的关系。

类似的分析也适用于检测电阻，不同之处在于结壳热阻通常没有等效参数。在大多数高功率检测电阻结构中，电阻元件和外壳基本相同，因此只需要外壳到吸收的热阻。

除了导热系数外，还必须考虑界面材料的导电性。在大多数应用中，需要电绝缘材料，因为接口将与MOSFET和检测电阻器上的裸露表面贴装焊盘和引脚直接接触。这通常排除使用一些其他高导热材料，例如石墨。

布局和平面图提示

许多“现成”的散热器和铝型材都很容易买到。事实上，在开始PCB布局之前选择散热器可以指导许多关于功率晶体管和检测电阻器放置的决定。应考虑到以下所有机械必需品：

功率场效应管

检测电阻

散热器和风扇安装螺钉位置，包括安装硬件（螺纹支座或其他锚）

温度传感IC或无源元件;例如热敏电阻或电阻式温度检测器 （RTD）

电源连接器

通常，仅将功率元件放置在PCB的散热器表面上，并将非功率器件和无源器件放置在背面或散热器覆盖的区域之外。这使外围组件远离PCB最热的区域，并简化了散热器配接面的任何必要定制。均匀分布功率组件将创建更均匀的功率密度分布，从而减少局部热点。

传导路径应尽可能宽和直接。负载电流从连接器的电源引脚流过PCB铜到MOSFET漏极，从MOSFET源极流向检测电阻的高端，最后从检测电阻的低侧流回连接器的接地引脚。理想情况下，PCB布局应包括多层上的多边形或平面，并带有拼接通孔，以在这些点之间提供最低电阻连接。仔细规划元件放置可以大大提高整体性能，并简化PCB走线布线。

保持散热器冷却

对于外形紧凑的大功率电子负载，辐射和自然对流冷却通常不足以散热。使用风扇进行强制风冷是最有效的冷却技术，而不是液体冷却。

使用风扇强制对流冷却

与自然对流散热器相比，选择与风扇一起使用的散热器有利于更厚的散热片或引脚，间距更窄。一般的经验法则是，销或鳍应厚 2 毫米或更大，每厘米至少有两个或三个鳍，或每平方厘米至少六个针。在上限处，高鳍片或引脚密度和窄间距会限制气流，因此在密度和气流限制之间保持合理的平衡非常重要。

由于当使用强制对流冷却时，辐射冷却对整体热流的贡献很小，因此表面处理并不重要。阳极氧化或涂层散热器具有更好的发射率，但在强制对流应用中，它们的性能不会明显优于裸机。

合适的散热器通常会提供热性能数据，如图 6 所示，其中显示了 Wakefield-Vette 655-53AB 散热器的热阻与气流的函数关系和温升随功率的函数。

图6.韦克菲尔德-维特 655-53AB 的散热器热特性。

如果将655-53AB散热器与高性能40mm风扇配对，我们可以通过将风扇的体积流量与流路的横截面积相结合来确定近似的热性能。

考虑一下安装在水槽顶部的 40 毫米方形韦克菲尔德-维特散热器 655-53AB，该散热器由山阳电机 9GE0412P3K03 风扇冷却。空气进入针翅式水槽的顶部并从侧面排出。四个出口侧中的每一个都有大约 1.6“ x 0.375” 的开放区域，这使得总畅通无阻的出口区域约为 2 英寸2，或约 0.015 英尺2.

风扇产生标称每分钟 26.8 立方英尺 （CFM） 的气流。为了获得以线性英尺/分钟（LFM）为单位的等效流速，我们将CFM值除以流路面积。这产生的气流速度接近2000 LFM。由于通过散热器引脚的复杂流路中存在显着的“风阻”，实际流量将大大减少。如果我们将气流降低 55%，则会产生大约 900 LFM 的线性流量。

图6显示655-53AB散热器将表现出热阻Θ房 协在 1 LFM 时约为 0.900°C/W。早些时候，我们发现我们假设设计的散热器配接表面必须保持在129.9°C以下。 如果环境空气温度为25°C，我们的风扇冷却散热器足以满足高达104.9W的总连续电子负载功耗。

峰值瞬态功率水平可以大大超过连续功率能力，因为元件封装、PCB 和散热器的组合具有相当大的热容量。这种热容量有助于相当长的热时间常数。类似于电流源驱动电阻和电容链，其中电流引导电压，负载功耗是驱动热阻和电容链的热通量。温度将滞后于热通量;低热阻和大热容将减少限时功率脉冲的每个结点的温升。

电子风扇速度控制

在大多数情况下，电子负载不会一直以全功率运行。事实上，在最大功率下的操作往往非常短暂。因此，冷却风扇不需要一直以最大速度运行。

有许多有源风扇控制器IC可用于根据PCB温度调整风扇速度。例如，Maxim的MAX31740提供脉宽调制（PWM）控制信号，该信号随小型低成本负温度系数（NTC）热敏电阻测得的温度而变化。如果将热敏电阻放置在功率元件和散热器的物理连接附近，则冷却风扇速度将随负载中的功耗而变化。这提供了符合人体工程学的好处，在负载处于低功率或空闲状态时降低风扇噪音，同时在负载功率高且散热器发热时向操作员提供声音反馈。低功率下风扇转速的降低也降低了负载本身的功耗，并最大限度地提高了风扇的使用寿命。

更复杂的风扇控制IC提供负载温度的数字遥测，并可以检测风扇电机故障，允许负载在被过热损坏之前自动关闭。

液体冷却选项

强制风冷的有效性受到暴露于气流的散热器表面积与配合面和冷却表面之间的导电流路之间的权衡限制。增加风冷表面积与配合面面积的比值往往会增加导电路径的长度或减小其横截面。在某些时候，对流热阻的降低被增加的导电热阻所抵消，散热器性能受到影响。

绕过这一限制的一种方法是引入流体传热介质，该介质可以将热能从接触面积小的热源机械地传输到大面积的散热器，从而打破限制传统散热器性能的传导传热瓶颈。

当然，液体冷却大大增加了电子负载设计的复杂性，并且在维护、便携性和整体可靠性方面存在更多问题。但是，在非常高的功率下，它可能是唯一可行的选择。

由于个人计算机液体冷却技术的进步，可以调整现成的散热器、泵和水块以用于电子负载。

保护负载免受高温影响

可以通过多种方式保护电子负载免受高温和过度功耗的影响。最简单的保护是将电流测量与固定阈值进行比较。如果超过阈值，电路将关闭控制信号或以其他方式禁用吸电流电路，防止进一步温升，从而保护负载中的元件。通过使用随温度升高而下降的阈值，可以改善这种保护;例如，这可以通过使用温度传感器IC来实现，该IC输出的电压随温度线性下降。

简单过流保护的缺点是电流与功率不成比例，如果V。欧盟五国电压变化。在较高的电压下，相同的电流表示负载中的总功率要高得多。通过添加模拟乘法器，从电压和电流的乘积生成功率信号，可以实现功率的直接测量。

调用保护时，应使用闭锁比较器，以便在进一步操作之前使负载冷却。然后，操作员可以在降低电力需求后重置负载。或者，可以将设备设计为在温度降至安全水平时自动重启。

结论

实现有用的电子负载以测试大电流、低压电源不仅需要仔细考虑电路设计，还需要仔细考虑热和机械结构。遵循本文中概述的准则和原则将确保负载可以在高功率下运行，同时保持良好的性能和可靠性。

审核编辑：郭婷