一种POL终端匹配电源的热模拟研究

摘要：介绍了一种广泛应用于存储器、CPU等高速信号端口的POL终端匹配电源的工作原理。根据电源各元器件的功耗，建立该电源的热模型，并利用ICEPAK软件对其进行热模拟仿真。通过仿真结果与实际测试结果的对比，确认模型和计算方法的准确性。此热模拟仿真方法可广泛用于同类电源的热评估。
关键词：POL；功耗；ICEPAK；热模型；仿真

0 引言
    POL(P0int Of LOad)终端匹配电源广泛应用于存储器、CPU等高速信号端口。端口电压能够自动跟踪1／2主电源的电压，并输出或吸入信号的匹配电流。本文中自主研制的端口匹配电源DDRl2V4520，输出稳压精度高、响应快、电压设定数字化，已广泛应用于多个工程项目，实际使用效果良好。本文对比该电源的热模拟仿真结果与实测结果，评估电源的温升，确认了模型的准确性。在以后的同类电源设计中，通过仿真计算，可以相当准确地预计电源的热工作状况。

1 工作原理
    电源DDR12V4520的主电源输出电压为1．5V～2．8V，额定输出电流45A。匹配电源跟踪l／2主电源电压，可以输出或吸入电流，额定容量20A。图l是该电源的原理图。图2给出了完成贴装焊接的电源DDRl2V4520的实物照片。主电源控制器为ADP3163(Analog Devices)，匹配电源控制器为MAXl917(Maxim)。主电源的功率器件采用三合一DrMOSR2J20601(Renesas)，匹配电源的功率器件是FDD6035AL和FDD8870(Fairchild)。输出采用低串联阻抗固体有机膜电容器滤波，实用效果十分理想。主电源的输出电压通过5位VID码设定(ADP3163)，使用十分方便，电压精度可达0．025V。
    主电源功率器件DrMOS R2J20601是Renesas公司推出的一种新型的三合一芯片。该芯片集两个MOSFET和一个驱动电路于一体，具有工作频率高、功耗低、结构紧凑、封装小、输出电流大、效率高等优点，十分适用于低电压、大电流的应用场合。图3给出了该芯片的内部结构图。图4给出了该芯片的实物图。

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2 热模型
    利用ICKPAK软件进行热模拟仿真，首先需要建立热仿真模型。因此需要估算电源的各元器件的功耗，来确定仿真参数。表1给出了电源在满负荷与半负荷工作状态时的参数。
    估算电感的损耗时，分为铜损和铁损来估算。铜损为电流的直流分量在电感中产生的损耗，铁损为电流的交流分量产生的损耗。对于电源中的电容、电阻等常规元件的功耗评估不再赘述，重点讨论一下主电源与匹配电源功率器件的功耗估算。
    电源工作频率为600kHz，主电源功率器件有3片DrMOS R2J20601(Renesas)，因此单个器件工作频率为200kHz。根据参考文献中提供的典型工作数据曲线，可得满负荷工作情况下的单个该器件LOSS=2．

    同样在满负荷工作状态，实际试验环境温度、风冷条件与仿真条件相同的情况下，对电源进行考机试验，得到电源A面与B面的温度实际测量结果分别如图5(b)、图6(b)所示。

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    2)半负荷工作状态
    在仿真软件ICEPAK中，设置环境温度为17℃，强迫风冷，风速为0．8m／s，风向不变。在半负荷工作状态下，电源的A面与B面仿真计算结果分别如图7(a)、图8(a)所示。

    在相同的工作状态、试验条件下，对电源DDR12V4520进行考机试验，得到电源A面与B面的温度实际测量结果分别如图7(b)、图8(b)所示。
4 结束语
    ICKPAK仿真模型建立得不能太复杂，单体尺寸不能相差太大，否则网格划分时数量过多。当网格数小于20万时，单机运算速度良好；大于40万时，运算速度过于缓慢而影响计算。本试验中的风道截面为120mm×120mm，如何测量风速十分关键。使用普通的风机式测风仪，会破坏整个试验风道的平衡，不适用于本试验，只适合于大环境的测量，例如机舱级或者机房级的测量。为了保证试验的真实性和准确性，本试验使用了点状测风仪(EATVS一4W／Sensor)，对原风道基本没有影响，测量三个点的风速，取其算术平均值，因此所得的风速测量值十分可信。
    计算所得的效率与实测的效率有一些差异，主要的原因是功率芯片的功耗计算值不够精确，文献中提供的功耗是在25℃时的给定值，但在实际运行时，温度上升会使功耗有所上升。
    L1，L2，L3上方的PCB区域有很多过孔，电流从B面通过这些过孔流到A面，引发PCB局部发热。在计算时，没有将过孔建立发热模型，只是PCB整体均匀发热，所以局部的温度分布不很真实，L2上方测温点的计算值与实验值有6℃左右的差异。
    如表3所示，计算值与实际测试值比较接近，说明模型和计算方法基本正确，可广泛应用于电源模块的热能工作状态评估。在今后的同类电源设计验证中可采用此模拟仿真方法，无需搭建复杂的试验平台，可大大简化设计验证步骤，缩短设计周期，有效提高了设计效率，具有很大的实用价值。