機械和熱設計概覽

連接器注意事項

如果沒有與被測設備的良好連接，最好的電子負載電路將無法正常工作。連接應易于接通和斷開，具有極低的電阻，并最大限度地減少電流的物理路徑長度。保持大電流路徑短且面積小可降低寄生電感，而寄生電感對負載電流壓擺率性能不利。

通孔連接器是有利的，因為它們可以連接到負載和電源PCB中的所有銅層。每個觸點的通孔引腳越多越好，因為電流可以在更多點進出 PCB，從而降低電阻。此外，通孔連接在物理上非常堅固，這對于將要通過數百個連接周期投入使用的負載設備非常重要。

壓接連接器可以通過消除PCB通孔和連接器引腳之間的焊接點來進一步降低電阻。與銅相比，焊料是一種相對較差的導體，體積電阻率大約高八倍。壓接連接在引腳和PCB銅之間形成直接電連接。

Samtec UPS和UPT系列連接器是一個絕佳的選擇，能夠以小尺寸處理非常高的電流。該系列連接器提供垂直和水平方向。引腳數范圍從 2 到 8。

每個配接觸點對（公頭和母頭）的電阻約為300μΩ。有效熱阻約為 200°C/W，高于環境溫度的典型接觸溫升約為 40°C，無氣流，電流為 100A（負載為 100A，電源接地返回 100A）。由于UPS和UPT直角連接器采用開放式流通式設計，因此來自電子負載風扇的排氣氣流也會冷卻連接器，這是一個附帶的好處。

如圖2所示，交錯電源和接地連接非常重要，以最小化連接中的磁環路面積。這反過來又將寄生電感降至最低。

圖2.交錯電源和接地連接以最大程度地減少電感。圖片由Samtec提供。

對于較小負載設備，另一個不錯的選擇是可以接受裸露“卡邊緣”的連接器。連接器可以駐留在負載或被測器件上，配合器件的構造是頂部裸露的銅，底部的一側邊緣。圖3中的Samtec HSEC8-130-01-S-DV-A-WT-TR連接器是卡邊緣插座的一個很好的例子;它接受0.062英寸寬的0.994英寸PCB。

無論選擇哪種連接器，重要的是協調設計工作，以便要測試的電源和電子負載都使用配對連接器構建，小心放置以避免阻礙連接的機械障礙物。

測試供應效率？您需要一個散熱器

專門用于測試瞬態響應的電子負載可以設計為沒有散熱器，前提是工作占空比保持在非常低的水平。然而，用于測試電源效率的電子負載幾乎肯定需要散熱器。

帶有冷卻風扇的鋁制散熱器可以大大降低功率組件的有效熱阻，將設計的功率處理能力從沒有氣流的PCB提高十倍。帶翅片的水槽在自然對流下表現良好，但“針翅式”水槽在與風扇結合使用時通常表現更好。

針翅式散熱器有多種尺寸和配置可供選擇。大多數灌電流具有平坦的配接表面，但可以輕松定制，以更貼合 MOSFET 和檢測電阻。例如，Front Panel Express LLC提供了一個簡單的免費CAD工具，可用于定義要加工成鋁面板的型腔，從而允許散熱器配合表面和要冷卻的組件之間的精確間隙。其中對標準40mm BGA散熱器的配合面進行了加工，以清除四個MOSFET和檢測電阻對。此外，安裝螺絲孔穿過水槽，便于連接到PCB和風扇。

從漿料到柔性板材，熱界面選項比比皆是

為了在電源組件和散熱器之間獲得最佳的熱連接，需要一些熱接口材料。有許多選擇，從糊劑到柔性片材。導熱系數是所選材料的特性，熱阻隨厚度而變化。因此，無論接口材料類型如何，組件和散熱器之間的界面材料層的厚度都應最小化。選擇一種在易于處理和返工之間取得良好權衡的材料，并具有高導熱性。此外， 選擇具有物理一致性特性的材料，使其能夠形成或流入薄片，而不會對 PCB 和組件施加很大的力.

熱導率 k 通常以 W/mK 為單位給出。值越高越好。熱阻與界面厚度成比例變化，與配合表面的面積成反比。

Θ = L / （k x A）

例如，考慮在 5mm x 6mm MOSFET 外殼和散熱器之間放置 10 mil 的 Laird Technologies Tcpm 580 相變接口材料層。界面材料導熱系數為3.8W/mK，因此熱阻如下：

面積：A = 5 毫米 x 6 毫米 = 30 毫米2= 0.00003m2

厚度：L = 0.010in x 0.0254m/in = 0.000254m

1K = 1°C

Θ.CS= （0.000254m） / （3.8W/mK x 0.00003m2） = 2.22°C/W

現在讓我們考慮一個PSMN2R0-30YLE功率MOSFET，它在0.675V的壓降下承載25A的負載電流，功耗為16.875W，如圖5所示。根據以下情況，我們預計結溫將高于散熱器溫度：

TJ= 功率 x （Θ杰克6 %.CS)

TJ= （25A x 0.675V） x （0.45°C/W + 2.22°C/W）

TJ= 16.875W x 2.67°C/W = 45.1°C

因此，為了將結溫保持在 175°C 的最大限值以下，散熱器配接面不得超過 129.9°C。

圖5.MOSFET 和檢測電阻功率與負載電流的關系。

類似的分析也適用于檢測電阻，不同之處在于結殼熱阻通常沒有等效參數。在大多數高功率檢測電阻結構中，電阻元件和外殼基本相同，因此只需要外殼到吸收的熱阻。

除了導熱系數外，還必須考慮界面材料的導電性。在大多數應用中，需要電絕緣材料，因為接口將與MOSFET和檢測電阻器上的裸露表面貼裝焊盤和引腳直接接觸。這通常排除使用一些其他高導熱材料，例如石墨。

布局和平面圖提示

許多“現成”的散熱器和鋁型材都很容易買到。事實上，在開始PCB布局之前選擇散熱器可以指導許多關于功率晶體管和檢測電阻器放置的決定。應考慮到以下所有機械必需品：

功率場效應管

檢測電阻

散熱器和風扇安裝螺釘位置，包括安裝硬件（螺紋支座或其他錨）

溫度傳感IC或無源元件;例如熱敏電阻或電阻式溫度檢測器 （RTD）

電源連接器

通常，僅將功率元件放置在PCB的散熱器表面上，并將非功率器件和無源器件放置在背面或散熱器覆蓋的區域之外。這使外圍組件遠離PCB最熱的區域，并簡化了散熱器配接面的任何必要定制。均勻分布功率組件將創建更均勻的功率密度分布，從而減少局部熱點。

傳導路徑應盡可能寬和直接。負載電流從連接器的電源引腳流過PCB銅到MOSFET漏極，從MOSFET源極流向檢測電阻的高端，最后從檢測電阻的低側流回連接器的接地引腳。理想情況下，PCB布局應包括多層上的多邊形或平面，并帶有拼接通孔，以在這些點之間提供最低電阻連接。仔細規劃元件放置可以大大提高整體性能，并簡化PCB走線布線。

保持散熱器冷卻

對于外形緊湊的大功率電子負載，輻射和自然對流冷卻通常不足以散熱。使用風扇進行強制風冷是最有效的冷卻技術，而不是液體冷卻。

使用風扇強制對流冷卻

與自然對流散熱器相比，選擇與風扇一起使用的散熱器有利于更厚的散熱片或引腳，間距更窄。一般的經驗法則是，銷或鰭應厚 2 毫米或更大，每厘米至少有兩個或三個鰭，或每平方厘米至少六個針。在上限處，高鰭片或引腳密度和窄間距會限制氣流，因此在密度和氣流限制之間保持合理的平衡非常重要。

由于當使用強制對流冷卻時，輻射冷卻對整體熱流的貢獻很小，因此表面處理并不重要。陽極氧化或涂層散熱器具有更好的發射率，但在強制對流應用中，它們的性能不會明顯優于裸機。

合適的散熱器通常會提供熱性能數據，如圖 6 所示，其中顯示了 Wakefield-Vette 655-53AB 散熱器的熱阻與氣流的函數關系和溫升隨功率的函數。

圖6.韋克菲爾德-維特 655-53AB 的散熱器熱特性。

如果將655-53AB散熱器與高性能40mm風扇配對，我們可以通過將風扇的體積流量與流路的橫截面積相結合來確定近似的熱性能。

考慮一下安裝在水槽頂部的 40 毫米方形韋克菲爾德-維特散熱器 655-53AB，該散熱器由山陽電機 9GE0412P3K03 風扇冷卻。空氣進入針翅式水槽的頂部并從側面排出。四個出口側中的每一個都有大約 1.6“ x 0.375” 的開放區域，這使得總暢通無阻的出口區域約為 2 英寸2，或約 0.015 英尺2.

風扇產生標稱每分鐘 26.8 立方英尺 （CFM） 的氣流。為了獲得以線性英尺/分鐘（LFM）為單位的等效流速，我們將CFM值除以流路面積。這產生的氣流速度接近2000 LFM。由于通過散熱器引腳的復雜流路中存在顯著的“風阻”，實際流量將大大減少。如果我們將氣流降低 55%，則會產生大約 900 LFM 的線性流量。

圖6顯示655-53AB散熱器將表現出熱阻Θ房 協在 900 LFM 時約為 1.0°C/W。早些時候，我們發現我們假設設計的散熱器配接表面必須保持在129.9°C以下。 如果環境空氣溫度為25°C，我們的風扇冷卻散熱器足以滿足高達104.9W的總連續電子負載功耗。

峰值瞬態功率水平可以大大超過連續功率能力，因為元件封裝、PCB 和散熱器的組合具有相當大的熱容量。這種熱容量有助于相當長的熱時間常數。類似于電流源驅動電阻和電容鏈，其中電流引導電壓，負載功耗是驅動熱阻和電容鏈的熱通量。溫度將滯后于熱通量;低熱阻和大熱容將減少限時功率脈沖的每個結點的溫升。

電子風扇速度控制

在大多數情況下，電子負載不會一直以全功率運行。事實上，在最大功率下的操作往往非常短暫。因此，冷卻風扇不需要一直以最大速度運行。

有許多有源風扇控制器IC可用于根據PCB溫度調整風扇速度。例如，Maxim的MAX31740提供脈寬調制（PWM）控制信號，該信號隨小型低成本負溫度系數（NTC）熱敏電阻測得的溫度而變化。如果將熱敏電阻放置在功率元件和散熱器的物理連接附近，則冷卻風扇速度將隨負載中的功耗而變化。這提供了符合人體工程學的好處，在負載處于低功率或空閑狀態時降低風扇噪音，同時在負載功率高且散熱器發熱時向操作員提供聲音反饋。低功率下風扇轉速的降低也降低了負載本身的功耗，并最大限度地提高了風扇的使用壽命。

更復雜的風扇控制IC提供負載溫度的數字遙測，并可以檢測風扇電機故障，允許負載在被過熱損壞之前自動關閉。

液體冷卻選項

強制風冷的有效性受到暴露于氣流的散熱器表面積與配合面和冷卻表面之間的導電流路之間的權衡限制。增加風冷表面積與配合面面積的比值往往會增加導電路徑的長度或減小其橫截面。在某些時候，對流熱阻的降低被增加的導電熱阻所抵消，散熱器性能受到影響。

繞過這一限制的一種方法是引入流體傳熱介質，該介質可以將熱能從接觸面積小的熱源機械地傳輸到大面積的散熱器，從而打破限制傳統散熱器性能的傳導傳熱瓶頸。

當然，液體冷卻大大增加了電子負載設計的復雜性，并且在維護、便攜性和整體可靠性方面存在更多問題。但是，在非常高的功率下，它可能是唯一可行的選擇。

由于個人計算機液體冷卻技術的進步，可以調整現成的散熱器、泵和水塊以用于電子負載。

保護負載免受高溫影響

可以通過多種方式保護電子負載免受高溫和過度功耗的影響。最簡單的保護是將電流測量與固定閾值進行比較。如果超過閾值，電路將關閉控制信號或以其他方式禁用吸電流電路，防止進一步溫升，從而保護負載中的元件。通過使用隨溫度升高而下降的閾值，可以改善這種保護;例如，這可以通過使用溫度傳感器IC來實現，該IC輸出的電壓隨溫度線性下降。

簡單過流保護的缺點是電流與功率不成比例，如果V。被測器電壓變化。在較高的電壓下，相同的電流表示負載中的總功率要高得多。通過添加模擬乘法器，從電壓和電流的乘積生成功率信號，可以實現功率的直接測量。

調用保護時，應使用閉鎖比較器，以便在進一步操作之前使負載冷卻。然后，操作員可以在降低電力需求后重置負載。或者，可以將設備設計為在溫度降至安全水平時自動重啟。

結論

實現有用的電子負載以測試大電流、低壓電源不僅需要仔細考慮電路設計，還需要仔細考慮熱和機械結構。遵循本文中概述的準則和原則將確保負載可以在高功率下運行，同時保持良好的性能和可靠性。

審核編輯：郭婷