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我们的直流/直流转换器的峰值功率额定值

发表于
2023 年 9 月 30 日

什么因素限制了峰值功率能力

峰值功率需求可能受到多种因素的限制——如果功率路径中存在磁性元件(例如输出滤波器),则可能发生饱和现象。虽然这不会直接损坏扼流圈,但会降低电感,并可能导致二极管和开关产生破坏性的峰值电流。这种效应几乎是瞬时的,因此需要扼流圈的带脉宽调制 (PWM) 的 DC/DC 转换器的峰值负载能力可能受到限制。例如,完全稳压的 DC/DC 转换器就属于这种情况。 BMR350 允许的峰值功率‘仅’比连续额定功率高 30%。其他以 100% 占空比运行的 DC/DC 转换器,例如我们的 BMR313 没有输出扼流圈,不受限制,峰值额定功率为 3 kW,是其连续额定功率 1 kW 的 3 倍。.

对于 BMR313 而言,现在的限制是半导体结温升高,挑战在于量化处于‘安全工作区域’内的起始温度、峰值电流和持续时间的组合。.

量化过载

如果结温是目前的限制因素,就必须找到一种测量方法,以确保其不会超过‘绝对最大值’。半导体器件制造商通常会将结温限制在 150°C 或 175°C——这通常是因为超过这个温度就无法保证器件的可靠性。你可能会猜测他们已经预留了安全裕度,但这不能想当然。直接测量温度当然是理想的,但传感器的精度有限,因此结温必须通过外推法来估算。这意味着需要对结周围的热阻和热容进行建模,并了解正在耗散的功率。由于‘峰值功率’事件有限,从结到环境的热路径上的温度变化相对缓慢且可预测。如果建立了一个精确的热模型,那么结合功率损耗和时间测量的热传感器就可以在达到临界温度之前发出警告信号,如果负载具备相应的功能,则可以利用该信号来‘降低功率’。.

否则,将超过第二个阈值,DC/DC转换器将被指示关闭。然而,在高电平‘瞬态峰值’过载的情况下,温升速率更高,并且主要受半导体芯片自身局部热容量的影响,其影响更难表征。在这种情况下,可以通过测量初始温度、瞬态负载电流及其持续时间来预测结温。这就是在……中使用的技术。 BMR313 其中包括多个过流阈值和警告,针对极端电流水平快速硬件关机,针对中等电流水平较慢的定时关机,以及一个温度传感器,用于提供警告信号并最终关机(图 2).

图 2: BMR313连续、峰值和瞬态峰值功率保护方案.

峰值负荷的重复出现会使问题更加复杂。

所使用的保护方案 BMR313 这种方法假设芯片在下一次峰值电流事件发生之前冷却至平衡状态,但这可能并不总是反映实际情况——峰值负载重复频率无法预测。另一种方法,在……中采用 BMR350, 该方法旨在监测负载和时序,但会使用先前测量值的一部分对由此产生的结温模拟值进行滤波,即所谓的‘指数移动平均’(EMA)方法。这样可以考虑不同的冷却周期及其持续时间,从而为器件提供可靠的保护,尤其是在器件受到调节、限制其峰值功率能力的情况下。EMA 方法可以扩展,使用多个平均值来代表热路径中的不同环节,例如,可以对芯片本身及其快速热响应进行建模。.

我们直流/直流转换器中描述和实施的技术可以处理峰值负载,而无需过度增大转换器的尺寸,但可以确保转换器不会过载。.

有关所用方法的更多详细信息,请参阅可供下载的白皮书《DC/DC转换器中的峰值功率负载管理》。 这里.