什麼是電源轉換器的降額曲線?

各種常見應用中，設計電源轉換器需考慮熱能問題，否則熱能累積會造成元件(例如電感、MOSFET、變壓器)超過最大額定操作溫度，導致降低元件的可靠度甚至會提前損壞。為了不超出電源轉換器最大溫度限制，因此從降額曲線了解電源轉換器可以工作在多少安全操作範圍內，同時也定義出負載上限值。

本文介紹降額曲線使用在可靠度分析上的一些知識，並且從實驗結果評估電源轉換器是否可以正常運作。

 

1. 降額曲線

工業電源應用大都使用於嚴苛的環境，隨著系統小型化的需求，在有限的空間運用中電源轉換器的散熱問題就必須在設計上做好妥善的安排。

下圖1清楚顯示在不同環境溫度下電源轉換器所對應可操作負載電流的大小。由圖中得知在已定義的對流條件下、輸出負載量、操作溫度，降額曲線三者圍成一多邊形。線內的區域面積稱之為安全操作範圍(Safe Operating Area, S.O.A)，用來確認電源轉換器是否在安全的條件下工作，也就是說，只要工作在S.O.A區域內就是安全的，超過這個區域就可能會造成元件毀損。

當環境操作溫度增加，此時累積在電源轉換器內部的廢熱會因為熱傳導阻力增加漸漸無法順利從轉換器內部傳導到大氣之中達到熱平衡，導致整體轉換效率變得更差而產生更多的廢熱，惡性循環至電源轉換器熱跑脫為止。要避免這個情況，操作負載量必須減少才能維持運轉。

在圖1中顯示當風速在20LFM時，電源轉換器可以滿載運作的環境溫度是從-40℃到50℃，一旦環境溫度超過50℃時，輸出負載就必須相對的減少。當環境溫度為80℃時，電源轉換器的輸出負載就不能高於滿載的40%。風速100 LFM滿載的溫度範圍是-40~80℃比風速20 LFM滿載的溫度範圍-40~50℃還大。

因此使用較大對流風為電源轉換器散熱可增加傳送電流負載量，並改善環境的工作溫度範圍。

 

2. 實驗與測試

本實驗選擇用熱電耦溫度感測線，使用黏著劑將熱電耦固定於電源轉換器封裝表面正中心點、長側邊、短側邊、PCB輸入端、環境溫度等等。環境溫度的量測點離電源轉換器約3公分。

下圖2是模擬無空氣對流的測試條件下，電源轉換器量測環境示意圖。

電源轉換器放置閉迴路循環風洞機內，模擬不同風速環境，比較元件內部熱能多寡與最大負載量的關係。

本次使用兩個實驗說明對流風風速與散熱鰭片分別對降額曲線的影響，再分別作圖一一說明。

 

• 實驗一:不同風速對降額曲線的影響

選用的電源轉換器規格如下:

表 1 實驗一.電源轉換器規格

Input voltage	12Vdc
Output voltage	5Vdc
Output current (full load)	12A
Baseplate temperature limit	120℃

以環境最高溫度為橫軸，最負載百分比為縱軸，紀錄輸入功率、輸出功率和各個熱電耦感測溫度值的實驗數據再加以統計後作圖表示:

如圖3得知，降額曲線會隨著風速條件的不同而有變化，必須查看特定設計相對應的曲線。如果操作於滿載情況下，當風速為20LFM、100LFM、300LFM、500LFM，最大的操作環境溫度分別約22℃、35℃、54℃、62℃，代表風速越大可以帶走電源轉換器更多累積的熱能，也就是熱阻值越小，可以接受較大環境溫度值。

另外看到在20LFM的風速對流條件下，電源轉換器在操作溫度70℃下約提供56%的最大負載量，僅風速增加至500LFM，就可以提供約88%的最大負載量，代表增加風速能提升最大負載。

• 實驗二: 散熱鰭片對降額曲線的影響

當使用功率耗損較高的電源轉換器，或是電源轉換器附近有發熱元件時，設計上要加強電源轉換器的散熱強度。一種方式是安裝散熱風扇，此缺點是消耗電力與增加雜訊；另一個方式增加散熱面積，例如在電源轉換器封裝表面外接散熱鰭片，以鰭片狀的結構可增加散熱面積。通常散熱鰭片或者是金屬機殼與電源轉換器之間，會再透過導熱膠隔開，增加絕緣距離避免絕緣不良，以及透過膠填補兩金屬介質之間的縫隙，避免接觸不良。

使用另一個電源轉換器測試散熱鰭片散熱的影響。電源轉換器規格如下:

表2 實驗二.電源轉換器規格

Input voltage	24Vdc
Output voltage	12Vdc
Output current (full load)	12.5A
Baseplate temperature limit	105℃

 

 

由圖4得知，此分析有安裝與未安裝散熱鰭片的電源轉換器相比，允許執行滿載下，最大環境溫度從52℃大幅提升到84℃；另外在相同操作溫度70℃下，最大負載量從68%大幅提升到100%。從實驗結果看出散熱鰭片對電源轉換器滿載正常運作的溫度範圍和最大負載量有非常大的影響。在無對流風環境下，規劃把發熱元件(例如CPU和MOSFET)貼於機殼上也是一種幫助散熱的設計方式。

從散熱方式來看，選擇散熱鰭片是一個散熱效果佳而且對系統影響較小的方式。

 

結論

電源轉換器在不同的應用下，必須著重於熱能的效能指標。良好的散熱方式可以提升電源轉換器的使用壽命與可靠度，而獲得更大的效益。從實驗結果了解散熱能力與最大負載量和環境工作溫度範圍成正比。

 

 

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