【導讀】前面在《基于DC-DC轉換器的選型及設計詳細指南（一）》中了解了一部分DC/DC轉換器的規格說明以及EMC/EMI的相關知識，接下來我們繼續了解一下DC/DC轉換器的熱管理及熱分析，還有出現是故障率及其可靠性。
前面在《基于DC-DC轉換器的選型及設計詳細指南（一）》中了解了一部分DC/DC轉換器的規格說明以及EMC/EMI的相關知識，接下來我們繼續了解一下DC/DC轉換器的熱管理及熱分析，還有出現是故障率及其可靠性。
一、熱管理及熱分析
系統級熱設計對于DC / DC轉換器的電氣規格同樣重要。越來越多的分布式電源架構（DPA）使用增加了熱設計的復雜性。單個多路輸出AC / DC電源用于在常規電源架構中為各種負載供電。集中式電源的使用集中了電源轉換過程的散熱，從而實現了直接的散熱設計。
在DPA中，單輸出AC / DC電源產生相對較高的分配電壓（例如12VDC或48VDC），并通過多個非隔離式降壓DC / DC轉換器為低壓負載供電。 DPA體系結構將功率轉換過程的散熱散布在整個系統中，并使散熱設計復雜化。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轉換器選擇注意事項
效率通常被認為是最重要的規范。效率對熱管理有重大影響。因此，使用高效的DC / DC轉換器非常重要。但并不是那么簡單。效率通常是在滿載條件下指定的，而DC / DC轉換器通常會降額使用，并且工作功率低于滿功率，以提高系統可靠性。而且系統通常不會一直在最大功率下運行。事實證明，為給定應用選擇最高效的轉換器并不像初次看起來那樣簡單。了解系統工作條件后，設計人員可以選擇效率特性符合系統需求的DC / DC轉換器。
此外，DPA中使用的降壓轉換器具有多種設計，每種設計都有不同的效率權衡。例如，在高負載下，同步降壓轉換器比非同步降壓轉換器效率更高。但是最佳選擇取決于系統的運行特性。與同步設計相比，非同步降壓在輕載條件下通常更為有效。在大量時間在低功率水平下運行且僅偶爾需要峰值功率的系統中，非同步降壓可以提供更高的整體運行效率。由于其設計更簡單，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中，新興的半導體材料（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，具有比傳統硅更高的導電性。與硅器件相比，GaN晶體管更小，具有相同導通電阻的較低電容。零QRR可減少高頻損耗。GaN的開關性能可實現更高的功率密度，更高的頻率，更高的開關精度，更高的總線電壓和更少的電壓轉換損耗。
硅與氮化鎵（GaN）的48V至12V DC / DC轉換器的效率比較。 （圖片：EPC）
在散熱設計和散熱能力方面，并非所有板上安裝的DC / DC轉換器都相同。有些在絕緣金屬基板上構建，以增強熱性能。有些包含用于改善導熱性的散熱孔，有些則開始使用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和較小的電流環路，這意味著，即使使用MHz的開關頻率，也可以將EMI控制好。權衡使熱管理可能變得更加復雜。DC-DC轉換器的整體溫度性能在很大程度上取決于最終應用。
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進步來確保功耗不會迅速增加。否則，性能極限將取決于溫度，而不是設計的最大功率。圖片：RECOM
系統熱分布
熱量管理始于在設計階段通過系統熱分布圖測量工作溫度來識別發熱點和其他重點區域。對于特定的操作環境而言，熱圖對于實現正確的熱管理系統設計是必需的。它有助于確定系統運行期間需要監視（測量）的區域。
如果使用紅外（IR）攝像機進行的熱成像表明一個或多個熱點PCB的溫度高于預期溫度，這可能表明存在問題。重要的是要考慮到靠近較高熱量附近的組件；他們可能會經歷長期的老化影響。為了檢測熱點，需要足夠的幾何分辨率。只有通過足夠數量的像素才能很好分辨的細節以及正確測量。因此，高分辨率紅外攝像機系統是在系統開發過程中使用的不錯選擇。
在產品開發過程中，通常將高分辨率紅外攝像頭系統用于熱成像。圖片：InfraTec
與熱電偶或點測高溫計不同，高分辨率紅外熱像儀可以在系統和設備上獲取準確的溫度讀數。而且散熱設計并非一成不變。在不斷變化的系統運行狀況下，整個系統的散熱通常會變化（有時會迅速變化）。一些紅外熱像儀可以記錄高速數據，并具有表征快速熱瞬態和穩態熱條件所需的靈敏度和空間分辨率。
監控熱性能
內置熱關斷功能通常用于板裝DC / DC轉換器，連續監控轉換器的工作溫度通常非常有用，以下是可用于熱監控的組件的兩個示例。
熱敏電阻是隨溫度變化的電阻，通常由導電材料制成，例如金屬氧化物陶瓷或聚合物。最常見的熱敏電阻的電阻溫度系數（NTC）為負，通常稱為NTC。使用NTC需要信號調理。熱敏電阻通常與分壓器中的固定值電阻器一起使用，其輸出使用模數轉換器（ADC）進行數字化。
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結的熱特性。由于它們是使用常規半導體工藝構建的有源電路，因此它們可以采用多種形式，并具有多種功能（例如數字接口，ADC輸入和風扇控制功能）。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轉換器的可靠性對于理解和量化非常重要。它是隨時間變化的系統或設備故障發生頻率的度量。可靠性是觀察到的故障率，它定義為兩次故障之間的時間（以小時為單位），稱為平均故障間隔時間（MTBF），或者直到第一次故障之間的時間（也以小時為單位），稱為平均故障間隔時間（MTTF）。有時，可靠性是通過MTBF數字的倒數（基于109小時）來量化的，稱為時間失敗單位（FIT）：FIT = 109 / MTBF。
每個設備都有一個故障率λ，它是每單位時間發生故障的單元數——故障率在設備的整個生命周期中以可預測的方式變化。當繪制為故障率與時間的關系時，通常稱為可靠性浴盆曲線。它顯示了早期故障率的總和，以及產品整個生命周期中的恒定（隨機）故障率，再加上壽命終止時的磨損率。
浴盆曲線用于說明觀察到的電子系統故障率。圖片：維基百科
在產品壽命的第一階段，由于材料缺陷或制造錯誤（未在最終測試和檢查中發現）而導致所謂的失效，因此故障率不斷下降，λ下降。板裝式DC / DC轉換器的大多數失效發生在運行的最初24小時內。
在電子產品中，Arrhenius方程用于確定在給定溫度下工作組件的預計壽命。它適用于化學方法，可測量與溫度有關的反應速率，并觀察到將溫度降低10°C將使產品可靠性提高一倍。相反，提高工作溫度會加快電子設備的故障率。
Arrhenius方程是電子設備和系統失效的理由。例如，剛制造的DC / DC轉換器在老化室內在滿負荷和高溫下運行約4小時，可以消除許多早期失效現象。通常使用40或50°C進行老化，有時會進一步使用較高的溫度和較高的濕度。高可靠性DC / DC轉換器通常會進行24小時老化。
在產品和系統開發過程中，用于高度加速壽命測試（HALT）和高度加速應力篩選（HASS）的加速應力測試系統會發現產品設計的弱點。執行HALT和HASS可以最大限度地提高實驗室效率，同時降低與保修和召回相關的成本，從而提高產品可靠性。HALT和HASS使用溫度和振動應力來消除設計問題，開發出更可靠的產品并篩除早期產品故障問題。HALT和HASS決定了產品的運行和破壞極限，因為在對產品施加壓力的同時對其進行了功能測試并不斷監測其故障。
HALT和HASS測試箱用于產品開發和產品測試。圖片：Thermotron
在大多數DC / DC轉換器的使用周期中，除了初始故障率之外，它們會經歷恒定的故障率λ，并且可靠性曲線基本上是平坦的。恒定故障率持續的時間取決于各種因素，例如應用環境的固有應力，所用組件的質量，DC / DC轉換器的制造質量等等。隨著在產品使用壽命到期時的磨損過程中，故障率會不斷提高。
預測可靠性
預測可靠性的兩個最常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性預測程序SR-332。這些和其他可靠性預測部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217最初是由美國軍方開發的，可產生MTBF和MTTF數據，而Telcordia SR-332是為電信行業開發的，可產生FIT數據。當前，MIL-HDBK-217是使用最廣泛的可靠性計算方法。
可以使用零件計數分析（PCA），零件應力分析（PSA）或通過現場數據證明，通過幾種方式預測和量化可靠性。這些量化可靠性的方法中的每一種對于電力系統設計人員都有特定的用途。PCA需要最少的數據，通常在產品開發過程中使用。PCA分析僅根據物料清單和預期用途得出估算的產品故障率λP，從而可以計算仍在設計的產品的MTBF：λP=（ΣNCλC）（1 + 0.2πE）πFπQπL（公式來源：RECOM）
其中：
NC =零件數（每種組件類型）
λC=從數據庫中獲取的每個零件的故障率
πE=特定于應用的環境壓力因子
πF=混合函數應力c通過組件交互
πQ=標準零件或預篩選零件的篩選水平
πL=成熟因子是經過驗證的設計還是新方法
為使用的每個組件計算PCA，并通過將所有單個預測相加得出總可靠性預測。
用于簡單DC / DC轉換器的PCA可靠性分析。（表：RECOM）
MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲線擬合從現場操作和測試獲得的經驗數據，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，該故障率由環境，溫度，應力，質量和其他因素決定。但是PSA方法假定沒有對一般恒定故障率的修正。盡管它廣泛適用于板載DC / DC轉換器等器件，但MIL-HDBK-217方法最初旨在提供零件的結果，而不是設備或子系統的結果。
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、現場和實驗室測試數據的能力，可用于貝葉斯分析方法。貝葉斯推斷是一種統計推斷的方法，其中隨著更多證據或信息的獲得，貝葉斯被用于更新假設的概率。
系統設計注意事項
DC / DC轉換器故障率分析的重點是工作溫度，輸入電壓和輸出功率，以估算整體應力。良好的熱管理是使用板上安裝的DC / DC轉換器設計可靠系統的最重要方面。良好的熱管理始于了解轉換器的效率如何影響系統性能。采用更高限額的產品始終是一個好習慣。標稱性能規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，通常是一個不錯的起點。
用諸如上圖所示的管腳兼容的開關穩壓器代替線性穩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時指定的，但對于在較高溫度下運行的系統來說是很常見的。隨著溫度升高，功率半導體和電路板走線的損耗會增加。銅的溫度系數為+ 0.393％/°C。如果溫度比室溫高1°C，電阻將增加0.393％。轉換器效率隨輸入電壓而變化，并隨輸入與標稱電壓的變化而降低。
結果，在系統開發過程中進行熱成像對于識別熱點和其他關注區域是必要的。通過熱映射，可以針對特定的操作環境設計正確的熱管理系統。它有助于確定系統運行期間需要監視（測量）的區域。熱映射還可以識別點熱源，例如線性穩壓器，可能需要用效率更高的板載DC / DC轉換器（例如，開關穩壓器）代替。
盡管熱管理是主要考慮因素，但不應忽視輸入電壓的特性。在臨界值的高線或低線下長時間運行會降低可靠性，而輸入端的浪涌，尖峰和靜電放電（ESD）也會降低產品性能和壽命。在轉換器的輸入端使用保護裝置可以大大提高系統的可靠性。
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