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本文主要探討為何以同步整流器為基礎的DC/DC轉換器（不帶散熱器）反而比傳統的以肖特基二級管為基礎的轉換器（帶散熱器）能產生更多的有用的輸出功率。 文章首先分析的是當DC/DC轉換器的散熱器被拆除后會降低多少"散熱"能力。然后闡述較之低效率的傳統轉換器而言，以同步整流器為基礎的轉換器需要散發的熱量少了多少。最后，文章將比較兩種轉換器的功率降額曲線（derating curves），以說明同步整流轉換器因其高效率之所得勝過因為拆除散熱器而受到的損失。 文章將重點分析標準的半磚2.3英寸×2.4英寸DC/DC轉換器。一般來說，同類型最好的肖特基二極管轉換器能夠提供150瓦或30安的輸出功率。而且，我們將看到，由于使用溫度環境變壞，轉換器實際能夠輸出的功率通常要低于這個數字。 拆除散熱器后，我們會損失什么？ 通過比較散熱器安裝與否的兩種情況可以方便地測量散熱器的效率。例如，一個基板上未安裝散熱器的DC/DC轉換器在基板和空氣之間有一定的熱阻，Rca(無散熱器散熱)。如果我們在基板上裝上散熱器，新的熱阻，Rca（有散熱器散熱），要比Rca（無散熱器散熱）小一個因子。這個因子表明了散熱器的作用。 但是，由于種種原因，并不能從散熱器散熱片組的表面積與轉換器基板的表面積就簡單得出關系。首先，從基板傳來的熱量上升到散熱器片會產生熱阻，部分是由于我們放在基板和散熱器之間的隔熱墊或隔熱液，部分是由于熱量通過狹窄的散熱片。其次，冷卻氣流流過各個散熱片之間空隙的流速也不會都與氣流流過平坦基板時的流速相同。因此，散熱器由于表面所達到的散熱效果比預計要少。 下面的表格對使用不同高度的散熱器以提高散熱性與不使用散熱器進行比較。表中改善因子是沒有散熱器的熱阻，Rca（無散熱器散熱）除以使用散熱器的熱阻，Rca（有散熱器散熱)。 改善因子代表在拆除散熱器之后損失的散熱效果。如果需要保持同樣的散熱效果，同步整流轉換器消耗的功率就必須同比例地降低。下一段分析這個問題。 同步整流轉換器散熱要減少多少？ 傳統的轉換器使用肖特基二極管對變壓器的輸出進行整流。肖特基二極管消耗轉換器損失的大部分熱量。另一種方法是使用同步整流器對變壓器的輸出進行整流，這比傳統轉換器的肖特基二極管消耗少得多的功率。 表2比較了SynQor使用同步整流的30安PowerQor轉換器和同等負載電流的傳統轉換器的滿負載效率。表中右邊一欄揭示了使用PowerQor轉換器后DC/DC轉換器的熱量消耗降低的因子。 從表中，我們可以看出，使用同步整流轉換器能使熱量消耗降低，從一個15Vout轉換器下降20%到一個1.5Vout轉換器下降300%不等。換句話說，輸出電壓越低，轉而使用同步整流技術的意義就越大。 在進行比較之前，我們為什么要先看看功率降額曲線？ 現在，我們知道1）當散熱器被拆除后，未能散發的熱量；2）30安的同步整流轉換器減少消耗的熱量。 但是，要真正地比較并不簡單。原因之一是同步整流轉換器沒有一個金屬的基板，但有一個區別很大的開架結構。首先，它比不帶散熱器的傳統轉換器高度更低，只有0.4''而不是0.5''，所以空氣將更容易通過同步整流的轉換器，而不是環繞而行。另外，它的上表層不規則，產生的紊流比線性氣流散熱效果更好。第三，同步整流轉換器下面有更多的空間讓氣流通過，這也有利于散熱。 難于比較的原因之二是，一個轉換器的效率隨輸出功率和溫度兩者而變化。表2表示出來的效率僅僅是一種功率和溫度的結合：滿載電流和25°C。 同步整流轉換器的設計使它們在大部分功率范圍內維持相對穩定的高效率，在轉換器變熱后這個效率只會有稍微的下降。 由于這些原因，決定我們是否得到的更多還是失去的更多的最好的方法，就是直接看功率降額曲線，該曲線能揭示出一個DC/DC轉換器在周圍空氣一定的溫度和流速下，能輸出多少功率。在功率降額曲線上的每一點都代表輸出功率和引起轉換器內部某些部件溫度達到某個預定界限的環境條件的結合。 傳統DC/DC轉換器廠商認為，用戶在一般情況下應該把轉換器的基板溫度控制在100°C以下 。周圍的空氣溫度越高，氣流越慢，散熱器越低，在基板到達溫度上限之前轉換器所能提供的功率就越少。 由于同步整流轉換器不需要基板，要了解什么情況下應該限制轉換器的輸出功率時，我們有必要直接看一下部件的情況。SynQor認為，額定溫度是150°C 的功率MOSFET的溫度不應該高于125°C。SynQor還推薦我們的PCB產品，它的額定溫度是130°C，但也不應高于 120°C或在 隔離屏障附近不高于110°C。如果這些選定值都低于元件的實際溫度額定值，那么就為功率降額曲線保留了更大的空間。因此，設計師和用戶使用同步整流轉換器時，就會感覺更加容易滿足降額曲線的限制條件。 對傳統轉換器來說，參數表并不顯示當基板溫度達到100°C時，轉換器部件的溫度有多高。因此，系統設計師不知道如果還有余地，在設計時轉換器的功率降額曲線中包含的余地有多少。很有可能他們會避免在降額曲線邊界上使用這些轉換器。 比較3.3Vout轉換器的功率降額曲線？ 除特殊指明外，所有的功率降額曲線都是通過對實際的DC/DC轉換器進行測量得到的，安裝轉換器的PCB放入風洞中以控制溫度和空氣的流動速度。轉換器的熱量情況由風洞側面的窗口可以看到。通過這樣的設備，就可以得到各種環境下，達到溫度限值時準確的功率值。 一個半磚大小的傳統轉換器實際的功率要低于其"額定值"。例如，即使安裝有一個0.5"高的散熱器，在55°C和200 LFM這樣并不理想的條件下，傳統轉換器也只能輸出22安。如果沒有地方放散熱器，則只能輸出15安。相比之下，同步整流的半磚轉換器，在沒有散熱器和金屬基板的情況下，功率降額曲線表明，這些3.3Vout 轉換器可以輸出比帶0.5" 散熱器的傳統轉換器有高得多的輸出電壓和功率。 曲線1：功率降額曲線比較-- SynQor的30A和40A半磚（無散熱器）產品和傳統的、以肖特基二極管 為基礎的、帶散熱器/無散熱器的半磚轉換器。 其他輸出電壓的功率降額曲線相比如何？ 可以想象，如果電壓高于3.3V，同步整流轉換器（無散熱器）和傳統轉換器（帶散熱器）的200 LFM功率降額曲線會更加接近。這是因為輸出電壓更高的話，肖特基二極管 轉換器的效率水平比輸出電壓低的情況下要高很多。但同步整流轉換器則是在傳統轉換器效率非常低的低輸出電壓下表現更好。 讓我們來看一看輸出電壓較高時的情況，對于12Vout 轉換器的200 LFM 功率降額曲線來說，在周圍空氣溫度高于30°C時，同步整流轉換器比帶散熱器的傳統轉換器性能要好得多。溫度達到55°C時，不帶散熱器的同步整流轉換器比帶散熱器的傳統轉換器多輸出35%的電流。 曲線2：比較SynQor的150W（12.5A）12Vout半磚（無散熱器）產品和傳統的肖特基二極管 12Vout半磚、帶散熱器/不帶散熱器的轉換器產品的功率降額曲線。 當輸出電壓低于3.3V時，曲線3比較了無散熱器的30A 2.5 Vout 同步整流轉換器和帶/不帶1/2"高散熱器的傳統轉換器在200 LFM功率降額曲線。同步整流轉換器在各種溫度情況下，都輸出多得多的輸出電流。溫度達到55°C時，同步整流轉換器比帶0.5"散熱器的傳統轉換器輸出多出50%的輸出電流。 曲線3：功率降額曲線比較-- SynQor的 30A 2.5Vout半磚（無散熱器）和傳統的肖特基二極管 2.5Vout半磚、帶/不帶散熱器的轉換器 總結 以上的數據表明，DC/DC轉換器技術已經向前發展了一大步。使用同步整流技術的成功設計可以極大地提高效率，特別是在低輸出電壓情況下，用于邏輯電路時散發的熱量低于統轉換器的一半。因此，轉換器可以不安裝散熱器或基板，這樣能夠降低高度、減輕重量、降低成本和方便應用。同時，同步整流轉換器比帶散熱器的傳統轉換器輸出的功率要高得多通過使用無散熱器的轉換器，你能夠"擺脫散熱器"了，開始體驗到更高效率、更高熱性能所帶來的優勢。 |
