你真的理解电源模块的降额曲线吗?

大家好,这里是大话硬件。

今天想写这篇文章来分享在前段时间了解的一个知识点——电源模块的降额曲线。

为什么要写这个呢?对于专门做电源的同学来说,肯定觉得很简单。但是对于一个非电源行业的人来说,曲线应该如何解读,业内是如何测试出来的,不一定十分完全清楚。

这个问题的背景来源于上周我准备做热设计,我把电源模块的规格书发热设计的同事,他问我规格书上面的降额曲线怎么理解。这里以金升阳的模块作为例子,在官网随便找到一个模块电源规格书如下。

看到这个规格书,我最开始的理解是:一个标称为100W的电源,在-20~55℃能输出100W的功率, 但是当这个模块放在环境为70℃条件下,只能输出70W的功率。于是就把这个理解告诉热设计的同事,让他关注设备的温升。

这事本来算是结束了,因为我觉得我理解的应该没错,完全是符合曲线。但脑海中一直在思考一个问题:金升阳明明设计的是一个100W的电源,怎么到了70℃只能输出70W,不符合实际理解呀!难道我把这个电源模块拿到70℃下加上90W的负载,整个模块就不能工作吗?理论设计的100W输出功率变成了70W的输出能力,导致模块带不动90W的负载吗?

有了上述的疑问后,我一直没有停止上述的思考,因为从电源能量传递的角度理解,我设计的100W电源,器件参数没有改动,输出能力不可能平白无故变为70W。于是就查阅了一些电源模块降额设计的资料,这才解开了我心中的疑惑。

1. 在70℃环境中,电源模块的输出能力变成了70W?

不对,在70℃环境中,其实这个电源模块还是具备100W带载能力。设计是100W,在任何温度下都是100W。这里曲线标称降额到70%,是指在70℃,这个电源模块你要让它安全,稳定,长时间的工作,带载要控制在70W以内,并不是电源模块只能输出70W。

假设在70℃环境中,让电源带载100W,上电一会儿时间,电源完全可以输出100W,但是可能很快进行过温保护,或者某些器件损坏,导致无法正常工作。

2. 为什么是降额70%?这个数据有什么理论依据?

决定电源输出负载大小,也就是降额程度的关键因素是电源模块上核心键器件温升。比如,变压器,MOS管,二极管,大功率电阻,电容。这些核心器件如果温升太高,电源模块可能很快就坏了。因此,负载不能带的太高,负载越大,温升越高,上述核心器件参数超过了限制温度,要么半导体器件过温失效或者保护,要么电容寿命比设计的降低很多。所以,想要这个电源模块正常工作,这个时候功率控制在70W以内就是安全的。

同理,对于下面的输入降额曲线肯定也不是像之前那样肤浅了。

按照之前的理解,这个曲线肯定被解读成:输入电压在AC110V以下时,电源模块没有能力输出100W。现在的理解是:在电压降低时,根据功率一定,电压越低,电流越大的原理,器件输入级存在整流二极管,共模电感等器件,这些器件在大电流下自身发热较大,为了不超过这些器件以及其他核心器件的通流能力和温升,电源模块的功率需要控制在一定功率内,这样电流就在一定范围内,不会导致器件损坏。

为了验证上面的理解正确与否,我又特地请教了在台达专门做电源的大学同学,同学的解答和我上面的理解是基本一致。同时,同学还告诉我电源行业是怎么把这个曲线测出来的。

大概如下图所示。在电源模块上找到关键器件以及温升较高的器件作为温度检测点,热设计有专门的温度探头,根据关键器件的温升不超过安全温度限制,来调节带载能力。经过多次测试,在哪些功率下模块能长时间在该温度下运行,此时输出的功率就是降额后的功率。

同步还了解到,有些数字电源在进行降额设计时,专门有温度监测的功能,ADC将读取到的温度反馈到主控中,主控根据温度来限制输出负载的能力。原理本质上也是通过某些器件的限制条件(温度,通流),来限制输出功率,保证模块在高温,低压下能长时间,稳定的工作。

电源模块降额曲线对于电源行业内的来说,应该比较清楚。但对不熟悉的人来说,看似简单的一个曲线,里面其实也有些可以挖掘的东西。

借这篇文章还想分享一点体会:同样的东西,看待它的角度和思考程度的差异,慢慢地在影响我们的知识面广度和深度。你简单它就简单,你复杂它就复杂。在工作中遇到了问题,要深挖细节,多思考为什么是这样?多了解背后的本质是什么?带着为什么的好奇心,你会发现同样是工作3年的人,慢慢就有了差异。共勉~

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