Эффективность источников питания SynQor в сравнении с традиционными преобразователями

Источники питания (ИП) SynQor семейства PowerQor (рис. 1а) [1], основанные на технологии синхронного выпрямления без радиаторов (рис. 1б), выдают больше полезной мощности, чем традиционные преобразователи с применением в качестве выпрямителей на вторичной стороне ИП диодов Шоттки с использованием радиаторов или обдува. Чтобы подтвердить это, проделаем следующие шаги. В первую очередь определим количество тепла, отводимое радиатором охлаждения, далее выясним, сколько тепловой энергии необходимо отвести от высокоэффективного источника PowerQor в сравнении с традиционным ИП. И, наконец, сравним кривые потерь мощности данных преобразователей, чтобы показать, насколько более эффективными являются источники питания SynQor в сравнении с традиционными ИП, даже с применением на них радиаторов охлаждения.

Рис. 1.
а) Источник питания SynQor семейства PowerQor;
б) схема DC/DC-преобразователя компании SynQor

Начальные данные

В таблице 1 представлены характеристики ИП серии PowerQor [2]. Для сравнения выберем форм-фактор корпуса half-brick (размеры 2,3×2,4″). Мощность испытуемых ИП 150 Вт, выходной ток 30 А. Данную мощность можно обеспечить только в «холодном» тепловом режиме. На практике же выходная мощность будет падать с ростом температуры компонентов ИП. Следовательно, разработчику необходимо закладывать в изделие ИП с большей выходной мощностью, согласно графикам потерь.

Что мы теряем, отказавшись от радиатора охлаждения?

Назначение радиатора — увеличение площади охлаждения. Другими словами, радиатор предназначен для снижения теплового сопротивления между поверхностью ИП и окружающим потоком воздуха. В случае с радиатором тепловое сопротивление будет определенно меньше на некоторый коэффициент, который и определяет эффективность системы охлаждения. В идеальном случае, если с использованием радиатора площадь охлаждения увеличилась вдвое, то и тепловое сопротивление должно уменьшиться в два раза. На практике, к сожалению, это не так по ряду причин. Во-первых, имеет место тепловое сопротивление между силовыми компонентами внутри ИП и верхней крышкой плюс сопротивление между крышкой (основанием) и непосредственно радиатором (поверхности не идеальны). Также тепловой энергии необходим перенос по достаточно тонким ребрам радиатора. Во-вторых, воздушный поток может не покрывать всю площадь охлаждения, обеспечиваемую радиатором. Данные причины приводят к тому, что эффективность применения радиатора зависит не только от его размера (площади охлаждаемой поверхности).

В таблице 2 приведены значения коэффициента эффективности радиаторов разной высоты. В данной таблице коэффициент — это отношение теплового сопротивления без применения радиатора, разделенное на тепловое сопротивление с применением радиатора, и его изменение в зависимости от линейной скорости воздушного потока (м/с) [3].

Как видно из рассмотрения таблицы 2, увеличение воздушного потока на невысокие радиаторы практически не увеличило их эффективность, как и не повлияло на тепловое сопротивление от чрезмерного увеличения скорости независимо от высоты (площади поверхности) радиатора [3].

Насколько меньше тепловыделение в источниках питания SynQor?

Традиционные ИП используют для выпрямления выходного напряжения диоды Шоттки, которые выделяют немалую часть тепла из всех тепловых потерь ИП. ИП SynQor используют синхронные выпрямители, основанные на полевых транзисторах (MOSFET), значительно снижающие потери на тепло­выделение.

В таблице 3 приведена эффективность 30-А ИП PowerQor в сравнении с традиционным. Заметим, что разница значительно увеличивается с ростом выходного тока и снижением выходного напряжения — со скромных 20% до внушительных 300%. Можно сделать вывод, что применение диодов Шоттки для низких выходных напряжений с высокими значениями выходных токов является нецелесообразным [3].

Почему важно смотреть на кривые падения мощности до начала сравнения?

Мы уже знаем разницу в количестве тепла, отводимого ИП с радиатором и без него. Также мы знаем уровень эффективности 30-А ИП серии PowerQor от SynQor и то, насколько может быть снижено выделение тепла при применении данного ИП. На первый взгляд, мы можем провести простое сравнение традиционного ИП и безрадиаторного ИП от SynQor. Но это будет некорректное сравнение в силу ряда причин.

Первый аргумент некорректности — это то, что ИП от SynQor не имеет металлического основания (open-frame исполнение). Благодаря этому ИП от SynQor обладает меньшей высотой, чем традиционный источник, следовательно, потокам воздуха проще проходить «сквозь» ИП, нежели обтекать по корпусу. Неоднородность поверхности создает турбулентные потоки вокруг компонентов ИП, что, в плане охлаждения, эффективнее равномерного потока воздуха. Потоки охлаждающего воздуха проходят также и под ИП, что дополнительно увеличивает теплоотдачу компонентов ИП.

Второй аргумент некорректности сравнения заключается в зависимости выходной мощности от температуры. Значения КПД (табл. 3) приведены только для одной комбинации выходной мощности и температуры (+25 °С).

Третий аргумент для понимания преимуществ использования высокоэффективных безрадиаторных ИП — разница между кривыми падения мощности в зависимости от температуры. Они показывают, сколько выходной мощности может обеспечить ИП, работающий при определенных условиях окружающей среды. Другими словами, это зависимость выходной мощности от комбинации температуры компонентов ИП и скорости воздушного потока, окружающего ИП.

Стоит отметить общий подход компании SynQor к увеличению надежности и энергоэффективности своих изделий. Так, MOSFET, используемые в преобразователе, рассчитаны на максимальную температуру в +150 °С, но используются при температуре не выше +125 °С. Температура печатной платы рассчитана на +130 °С, но в работе она не превысит +120 °С. Таким образом достигается низкий уровень потерь мощности на высоких температурах, что отображается на кривых (derating curves).

Кривые падения мощности от температуры

Данные, приведенные на графиках ниже, получены при помощи испытательного стенда компании SynQor (рис. 2), обладающего специальным воздушным туннелем и тепловой камерой для получения тепловых снимков и измерения значений температуры ИП.

Рис. 2. Испытательный стенд компании SynQor

Графики (рис. 3) показывают кривые падения выходного тока с ростом температуры у традиционных ИП на основе диодов Шоттки на 3,3 В. Представлены два варианта ИП (от разных производителей), как с радиатором (0,5”), так и без него.

Рис. 3. Кривые падения мощности традиционных ИП при 3,3 В

Налицо факт, что реальная выходная мощность гораздо ниже, чем заявленная производителем (при +25 °С). Так, для источника питания Vicor [3] с выходным током в 30 А с установленным полудюймовым радиатором при температуре окружающей среды +55 °С выходной ток будет около 22 А. А если радиатора нет, то всего 15 А.

Для сравнения приведем графики (рис. 4) падения мощности 30- и 40-А ИП SynQor серии PowerQor на 3,3 В без радиатора.

Рис. 4. Кривые падения мощности ИП SynQor

Для лучшей наглядности совместим два последних графика в один (рис. 5).

Рис. 5. Сравнение кривых падения мощности различных ИП

Как можно видеть, высокоэффективные ИП SynQor (3,3 В) выдают гораздо больше выходного тока и мощности без использования средств дополнительного охлаждения, чем ИП сторонних производителей, использующих радиатор для охлаждения. Это особенно важно в изделиях, ограниченных в объеме.

Исследуем кривые падения мощности для различных выходных напряжений

Основываясь на данных из таблицы 2, можно сделать вывод, что с ростом уровня выходного напряжения выше 3,3 В ИП SynQor (без радиатора) и традиционные ИП (с радиатором) приближаются друг к другу по уровню потерь мощности. Это объясняется тем, что эффективность диодов Шоттки растет с ростом рабочего напряжения. Из таблиц видно, что ИП SynQor обладают значительным преимуществом на низких уровнях выходного напряжения. Для наглядности приведем несколько графиков падения мощности на разных значениях выходного напряжения.

В первую очередь рассмотрим преобразователи на 12 В компании SynQor (без радиатора) и Lucent (как с радиатором, так и без него).

Как показывает график (рис. 6), при температурах выше +45 °С ИП SynQor уже превосходит конкурентов (даже с радиатором).

Рис. 6. Сравнение кривых падения мощности при 12 В выходного напряжения

Перейдем к 5-В преобразователям (рис. 7).

Рис. 7. Сравнение кривых падения мощности при 5 В выходного напряжения

При понижении выходного напряжения преимущество преобразователей SynQor становится все более ощутимым. При +55 °С преобразователь SynQor обеспечивает примерно на 20% больше мощности.

И наконец, перейдем к преобразователям на 2,5 В (рис. 8). Добавим на график преобразователь на 40 А от SynQor (без радиатора).

Рис. 8. Сравнение кривых падения мощности при 2,5 В выходного напряжения

Как и ожидалось, на столь низком уровне выходного напряжения высокотехнологичные ИП SynQor выдают значительно больше мощности, чем традиционные ИП. При +55 °С преимущество составляет около 35% и растет с дальнейшим увеличением температуры.

Выводы

Технологии проектирования DC/DC-преобразователей сделали большой шаг вперед. Благодаря использованию таких схемотехнических решений, как синхронное выпрямление, схема двойного преобразования и фиксированная частота переключения ключей, ИП SynQor обладают высокими показателями энергоэффективности. Они рассеивают гораздо меньше тепловой энергии, чем традиционные преобразователи, особенно на низких уровнях выходных напряжений. Это, в свою очередь, позволяет использовать ИП без радиаторов, снизить габариты и стоимость конечного изделия. Используя ИП от компании SynQor, вы можете «сбросить радиатор с плеч».