电源转换器热阻抗入门指南

在特定的环境温度下转换器内部达到最高温度限制时，环境温度的任何进一步升高都必须通过降低负载来减少转换器的内部功耗来补偿。这称之为热降额¹。

转换器从外壳到环境的热阻抗可以从以下方程得到：


若功耗为已知(输入功率与输出功率之差)，高于环境温度的外壳温升可以确定热阻抗。

然而实际上这种简单的关系很难确定，高于环境温度的温升必须非常精准地测量才能获得可靠的结果。提高结果可靠性的一种方法是在不同环境温度下进行多次测量，因为每个温阶的 ΔT（高于环境温度的温升）都应该相同。

然而真正的自然对流冷却还必须在无通风的环境下确定热阻抗，这是因为恒温箱风扇引起的空气流动会影响结果。如果将被测器件 (DUT) 放在温控设备里的纸箱内，并在功率测量中使用四线系统（开尔文连接）就可以得出相当准确的测量结果：



之所以需要在无通风的环境中进行温度测量的原因是热阻抗在不同的条件下会发生剧烈变化，而这在很大程度上取决于热传递到周围流体的效率（大多数情况下「流体」是指空气）。如果传热系数较差，功耗会导致外壳温度升高而热阻抗也会更高。如果传热效率好，那么在相同的功耗下温度升得较少，热阻抗比较低。因此，方程 1 仅在一组特定的条件下是正确的（仅对流冷却）。同样重要的是测试条件保持不变才能重现结果，设置方式的文件化信息、使用的设备清单和校正与测试结果本身一样重要。

对大多数的实际应用来说对流冷却的热阻抗图最有用，因为符合最常见的板载转换器的使用方式。它们焊接在电路板上，转换器内部散发的热量通过自然对流冷却散发到周围环境中。一些热量也会经由 PCB 走线的电气连接被带走，因此数据表给出的一些温度降额图只有在遵循 PCB 布局信息的情况下才是准确的。少量的热量会通过辐射散发到周围环境中，但根据我们的经验这种影响很小。

提高周围环境传热效率的最有效方法是流动流体（这就是恒温室的风扇会影响读数的原因）。自艾萨克·牛顿 (Isaac Newton) 于 1701 年首次发表论文提出了以下方程，这个效应就广为人知：


其中 q 是传热速率，h 是传热系数，A 是被测器件的表面积，ΔT 是被测器件与环境之间的温差。