3 熱限制與功率預算

PLC 在惡劣的工廠環境中運行，因而會封閉在機柜中，這會導致空氣流量受限或空氣不流動。由于存在灰塵、腐蝕性元素或其他材料方面的限制因素，在許多情況下冷卻風扇是禁用的。集成電路在運行時會散熱，特別是電源管理器件，因此必須選擇高效的電源解決方案，以最大限度地減少產生的熱量。如果系統承受過度的熱應力，會降低長期可靠性。熱量還會影響任何模擬感應電路的精度。為 PLC 提供的 24V 電源產生的功率很可能受到限制，而減少負載點電源解決方案的功率耗散會增加模塊的功率預算，使 PLC 在市場中脫穎而出。增加的可用功率可提高微處理器的時鐘速率、數據轉換器的精度或內存，從而改善 PLC 的性能，提高競爭力。惡劣的工廠環境中可能會出現極端環境溫度，因此，按照最低和最高結溫（而不是環境溫度）來指定和評價直流/直流轉換器會更適用。許多直流/直流轉換器的額定最大結溫為 150°C，可提供更大的熱余量。在降壓轉換器的參數搜索引擎中，可得到工作溫度范圍參數，從而更方便地選擇支持較高工作溫度的產品。

直流/直流轉換器在峰值效率下運行，是最大限度地減少直流/直流轉換器中功率 MOSFET 導通和開關損耗的有效方法。表 3-1 展示了 2A TPS54218 設計降至 0.5A 時的效率，與其作對比的是使用 Webench? 的 0.5A TPS62231。很明顯，TPS62231 有更小的 MOSFET，可實現更小的封裝尺寸，而且更高的頻率支持更小的無源器件，進而可實現更小的解決方案尺寸。但 TPS54218 節省了 140mW 的電能，可最大限度地提高效率，并改善空氣流量有限或功率預算受限應用的熱性能。TPS54218 的效率可進一步優化，如圖 3-1 中所示。在曲線的拐點，也就是 0.5A 附近，峰值效率約為 93%，這是開關損耗和導通損耗之間的最佳點。

圖 3-1 TPS54218 的效率曲線