RECOM 宁可冷也不愿热

温度是电源寿命的头号敌人。根据经验法则，温度每升高 10°C 电源寿命就会减半，而温度每降低 10°C 寿命则延长一倍。因此，这篇文章的英文标题是 “Rather be cool than dead”。

温度在电源寿命中扮演着重要角色的原因可在阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation ）找到。瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）早在 1889 年就写出了这个方程式来计算化学反应速率常数随温度变化的关系。由于许多电子组件的故障源于化学（腐蚀、漏电流、扩散、迁移效应等），因此高环境温度或工作温度通常是导致电源早期故障最主要的应力来源。

图 1：阿伦尼乌斯公式

因为存在内部功耗，所有电源都会产生热量。此功耗由效率和负载而定：效率越高，内部功耗越小；输出功率越低，内部散热就越低。因此，电源内部功耗量可以从以下简单的公式中得出：

图 2：内部功耗 Pdiss 取决于效率 η 和输出功率（负载）

如果内部的热量无法散发（消散到周围环境）可能会造成热失控，从而导致电源损坏。为了避免电源过热，必须在高环境温度下降额（或降低输出功率）。例如，下方的降额图显示该电源可全功率输出直到 68°C，若要在 +85°C 环境温度下工作必须降额至55%：

图3：额定功率与温度关系之降额曲线图

降额曲线图仅在一个特别的工作条件下成立，通常是标称 VIN 和自然对流冷却。该曲线图还假设电源外壳与周围空气之间的自然对流热阻 (θ_CA) 是恒定的，因此内部温升 Trise 与功耗成正比。一旦达到最高组件温度，当环境温度继续上升就必须降低输出功率来平衡。

如果在较高的环境温度下需要更多的输出功率就需要降低热阻。强制风冷可以让更多的热量从电源对流出去，因而产生一系列不同流速的降额曲线图：

图 4：不同空气流量和传热关系之降额曲线图

导数 Q点是每单位时间的传热率，h 是传热系数，A 是表面积，而 Trise 是由内部功耗引起的温升。

若表面积和温升不变，增加空气流量会提高传热系数 h，进而增加传热率。在上面的示例中，电源在自然对流（0m/s 气流）下超过 +68°C 时开始降额，但相同的电源可以在 +85°C 和 2m/s 强制风冷以及 +90°C 和 3m/s 提供全功率输出。

必须强调的是降额曲线图只是一个计算结果。该曲线图有直线是因为假设功耗在输出负载和输入电压范围内保持恒定（非实际），以及热阻抗对于给定的空气流速保持恒定（也非实际）。

如果降额是实际测量而非计算的，结果则是一个降额曲线。

图 5：测得的降额曲线图示例

测量降额曲线需要一个校准风洞和具有实时温度监控功能的自动控制系统。RECOM 设置如图 6 所示：

图 6：RECOM 的内部风洞设置

风洞的层流调至0.05m/s。全自动控制系统使用红外 (IR) 摄像机以非接触的方式监控组件温度，并调整输出负载以实时监控最大功耗（图 7）。红外摄像机的以太网链路数据馈送有连接到控制计算机，因此系统可以同时监控多个组件的温度以确保它们都不会超过限制。

图 7：自动降额控制系统和实时红外摄像机馈送示意图

逐步增加气流同时监控组件温度。系统自动控制输出功率确保所有热点都在临界温度以下。

图 8：阶梯式气流（蓝色）和输出功率（红色）。右图为图形用户界面（GUI）。

计算机记录每个测试数据，接着计算每个气流的热传递系数（每瓦输出功率的温升，以 °C/W 为单位），并根据热系数测量值自动绘制出准确的降额图。

图 9：透过风洞测得的降额曲线

结论

降额计算结果的可靠性取决于数据，而且要注意的是由于建立在多个假设上，因此需要实际测试以得出精确的参数值和准确的降额曲线。

若将这个过程自动化不但可以确保可重复性还能大幅加快测试速度。例如，为了确认电源特性，在不同的气流速率下人工测量多个关键组件的最高温度需要花几天的时间。然而现在有了自动化流程，可以在数小时内得出准确的降额曲线。

若电源安装在高温的恶劣环境中，用户必须了解设备的使用寿命将会因此大幅缩短。虽然在某些情况下需要将电源推至极限，但必须在不冒热失控或烧毁组件等灾难性故障的风险下进行。知道降额曲线是经过实际测量而非计算会提供一定程度的信心，因为这意味着电源将在极端事件中幸存下来而不会在过程中故障。

我们的测试还显示出不同的组件会在不同的操作条件下达到最高温度限制。例如，在低气流下，输入大容量电容器的温度可能是限制输出功率的「最弱的一环」。 然而，在高气流下电容器圆柱形周围形成的涡流脱落会增加有效传热率，因此其他的组件就会在电容器之前达到其临界最高温度（通常是开关晶体管）。即使可以运用热流模型来模拟这种现实生活中的变化，要做到准确也是极为困难的，而 RECOM 系统可以透过多热点红外热成像来自动侦测关键组件并以此控制负载。

因此，同一电源在不同工作条件下的降额曲线并不都相似的。如果客户需要 RECOM 保证电源在极端条件下不会超出管制界线，我们可以设定风洞模拟运行状态以给出明确的合格或不合格的判定结果。

Steve Roberts

Nov 2022