溫度是電源壽命的頭號敵人。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，溫度每升高10°C電源壽命就會減半，而溫度每降低10°C電源壽命則延長一倍。因此，電源寧可冷也不愿熱。

溫度在電源壽命中扮演著重要角色，其原因可在阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)找到。瑞典化學(xué)家斯萬特·阿倫尼烏斯(Svante Arrhenius)早在1889年就寫出了這個方程式來計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系。由于許多電子組件的故障源于化學(xué)腐蝕、漏電流、擴(kuò)散、遷移效應(yīng)等，因此高環(huán)境溫度或工作溫度通常是導(dǎo)致電源早期故障最主要的應(yīng)力來源。

圖1：阿倫尼烏斯公式

因?yàn)榇嬖趦?nèi)部功耗，所以電源會產(chǎn)生熱量。此功耗由效率和負(fù)載而定：效率越高，內(nèi)部功耗越小；輸出功率越低，內(nèi)部散熱就越低。因此，電源內(nèi)部功耗量可以從以下公式中得出：

圖2：內(nèi)部功耗Pdiss取決于效率η和輸出功率(負(fù)載)

如果內(nèi)部熱量無法散發(fā)(消散到周圍環(huán)境)可能會造成熱失控，從而導(dǎo)致電源損壞。為了避免電源過熱，必須在高環(huán)境溫度下降額(或降低輸出功率)。例如下方的降額圖顯示該電源可全功率輸出直到68°C，若要在+85°C環(huán)境溫度下工作，必須降額至55%。

圖3：額定功率與溫度關(guān)系之降額曲線圖

降額曲線圖僅在一個特定的工作條件下成立，通常是標(biāo)稱VIN和自然對流冷卻。該曲線圖還假設(shè)電源外殼與周圍空氣之間的自然對流熱阻(θCA)是恒定的，因此內(nèi)部溫升Trise與功耗成正比。一旦達(dá)到最高組件溫度，若環(huán)境溫度繼續(xù)上升就必須降低輸出功率來平衡。

如果在較高的環(huán)境溫度下需要更多的輸出功率就需要降低熱阻。強(qiáng)制風(fēng)冷可以讓更多的熱量從電源對流出去，因而產(chǎn)生一系列不同流速的降額曲線圖：

圖4：不同空氣流量和傳熱關(guān)系之降額曲線圖

導(dǎo)數(shù)Q點(diǎn)是每單位時(shí)間的傳熱率，h是傳熱系數(shù)，A是表面積，而Trise是由內(nèi)部功耗引起的溫升。若表面積和溫升不變，增加空氣流量會提高傳熱系數(shù) h，進(jìn)而增加傳熱率。在上面的示例中，電源在自然對流(0m/s氣流)下超過 +68°C時(shí)開始降額，但相同的電源可以在+85°C和2m/s強(qiáng)制風(fēng)冷以及+90°C和3m/s提供全功率輸出。

必須強(qiáng)調(diào)的是降額曲線圖只是一個計(jì)算結(jié)果。該曲線圖有直線是因?yàn)榧僭O(shè)功耗在輸出負(fù)載和輸入電壓范圍內(nèi)保持恒定(非實(shí)際)，以及熱阻抗對于給定的空氣流速保持恒定(也非實(shí)際)。如果降額是實(shí)際測量而非計(jì)算的，結(jié)果則是一個降額曲線。

圖5：測得的降額曲線圖示例

測量降額曲線需要一個校準(zhǔn)風(fēng)洞和具有實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控功能的自動控制系統(tǒng)。如圖6所示。

圖6：RECOM 的內(nèi)部風(fēng)洞設(shè)置

風(fēng)洞的層流調(diào)至0.05m/s。全自動控制系統(tǒng)使用紅外(IR)攝像機(jī)以非接觸的方式監(jiān)控組件溫度，并調(diào)整輸出負(fù)載以實(shí)時(shí)監(jiān)控最大功耗(如圖7)。紅外攝像機(jī)的以太網(wǎng)鏈路數(shù)據(jù)饋送有連接到控制計(jì)算機(jī)，因此系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)控多個組件的溫度，以確保它們都不會超過限制。

圖7：自動降額控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)紅外攝像機(jī)饋送示意圖

逐步增加氣流同時(shí)監(jiān)控組件溫度。系統(tǒng)自動控制輸出功率，以確保所有熱點(diǎn)都在臨界溫度以下。

圖8：階梯式氣流(藍(lán)色)和輸出功率(紅色),右圖為圖形用戶界面(GUI)。

計(jì)算機(jī)記錄每個測試數(shù)據(jù)，接著計(jì)算每個氣流的熱傳遞系數(shù)(每瓦輸出功率的溫升，以°C/W為單位)，并根據(jù)熱系數(shù)測量值自動繪制出準(zhǔn)確的降額圖。

圖9：透過風(fēng)洞測得的降額曲線

結(jié)論

降額計(jì)算結(jié)果的可靠性取決于數(shù)據(jù)，由于建立在多個假設(shè)上，因此需要實(shí)際測試，以得出精確的參數(shù)值和準(zhǔn)確的降額曲線。

若將這個過程自動化，不但可以確保可重復(fù)性，還能大幅加快測試速度。例如，為了確認(rèn)電源特性在不同的氣流速率下，人工測量多個關(guān)鍵組件的最高溫度需要花幾天的時(shí)間。現(xiàn)在的自動化流程，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)得出準(zhǔn)確的降額曲線。

用戶必須了解，若將電源安裝在惡劣的高溫環(huán)境中，設(shè)備的使用壽命將會大幅縮短。雖然在某些情況下需要將電源推至極限，但必須在不冒熱失控或燒毀組件等災(zāi)難性故障的風(fēng)險(xiǎn)下進(jìn)行。知道降額曲線是經(jīng)過實(shí)際測量而非計(jì)算得出，則會帶來一定程度的信心，這意味著電源將在極端事件中幸存下來。

我們的測試還顯示出不同的組件會在不同的操作條件下達(dá)到最高溫度限制。例如，在低氣流下，輸入大容量電容器的溫度可能是限制輸出功率的最弱一環(huán)節(jié)。然而，在高氣流下電容器圓柱形周圍形成的渦流脫落會增加有效傳熱率，因此其他的組件就會在電容器之前達(dá)到其臨界最高溫度(通常是開關(guān)晶體管)。即使可以運(yùn)用熱流模型來模擬這種現(xiàn)實(shí)生活中的變化，要做到準(zhǔn)確也是極其困難的，而RECOM系統(tǒng)可以透過多熱點(diǎn)紅外熱成像來自動偵測關(guān)鍵組件并以此控制負(fù)載。

因此，同一電源在不同工作條件下的降額曲線并不都相似。如果客戶需要RECOM保證電源在極端條件下不會超出管制界線，我們需要設(shè)定風(fēng)洞模擬運(yùn)行狀態(tài)，以給出明確的合格或不合格的判定結(jié)果。