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直流開關電源結溫的直接測量法

發布時間:2021-08-16 來源:Ralf Ohmberger 責任編輯:wenwei

【導讀】設計人員經常需要測量直流開關電源的結溫。這在溫度試驗箱中非常難于實現,因為熱像儀不僅數據不準而且可能在高溫環境下損壞,而外部溫度傳感器又很難固定在小尺寸封裝上。本文演示了一種利用二極管電壓與溫度之間關系的直流電壓讀取方法,它使用電源正常指示 (PG) 引腳上的MOSFET 體二極管直接讀出溫度,為工程師提供了一種測量IC結溫的實用方法。
 
背景信息
 
在最大指定負載和環境溫度下測量結溫,對許多應用都很重要。本文將以帶PG體二極管的MPS的MPQ4572為例進行說明,圖2顯示了其DC模塊框圖。 
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 1:MPQ4572 中的 PG N溝道 MOSFET 體二極管
 
MPQ4572是一款全集成定頻同步降壓變換器,它采用峰值電流控制實現高達 2A 的連續輸出電流。該器件輸入電壓范圍為4.5V 至 60V,可以適應各種降壓應用。我們通過 PG 引腳上的體二極管(MOSFET 的一部分)正向施加 1mA 電流源(見圖 1)。
 
二極管電壓與溫度之間的關系曲線可以在EVQ4572-QB-00A評估板上測量得到(見圖 2),也可以直接通過定制板測量得到。二極管的曲線特性取決于溫度,而不是 PCB 板的尺寸。 
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖2: EVQ4572-QB-00A 4層評估板(8.9cmx8.9cm)
 
利用電源正常指示(PG)體二極管測量結溫
 
電源正常指示 (PG) 引腳連接帶體二極管的內部 N 溝道 MOSFET。要準確測量結溫,必須先校準正向二極管的電壓和溫度。請按照以下步驟進行校準:
 
1. 從 PG 引腳上斷開任何電阻、微控制器或其他部件。
2. 將一個溫度傳感器(例如小型 4 線PT1000)粘在要測量的器件封裝頂部。另一種方法是在被測器件附近焊接一個浮動熱電偶(建議將此熱電偶焊接到 GND)。將溫度傳感器固定到封裝上是一項很費力的工作,因此請使用盡可能小的傳感器。溫度傳感器也不應作為小尺寸封裝的散熱器。使用導熱膠將 PT1000 溫度傳感器固定在封裝上,或將熱電偶直接焊接在具有 EMC 靜電勢的電路板部分(例如 GND 或 VIN)(參見圖 3)。
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖3: 將熱電偶焊接在PCB上
 
1. 將內置二極管測試功能和1mA電流源的精密萬用表連到PG引腳上(見圖1和圖5)。 也可以采用更小的電流,但系統在校準和測量時必須具有相同的電流。
2. 在溫度試驗箱中測量正向二極管電壓與結溫的關系。
3. 當器件由低于所需輸入電壓 (VIN) 的電源電壓供電時,測量二極管電壓。確定哪些VIN值可以有效校準,因為 VIN會影響效率,因此也會影響器件溫度。請勿在 DC/DC 變換器輸出上連接負載。
4. 用評估板或定制 PCB 板進行測量。
5. 關斷器件。
6. 啟動溫度試驗箱(如設置為25°C),并確保外部溫度傳感器顯示穩定的讀數。
7. 短時間啟動器件,讀取萬用表上的電壓。在沒有負載的情況下,結溫不應顯著升高,因為接合處的功耗很低(只有幾毫瓦)。 如果可能,請使用高級異步模式 (AAM),因為該模式在低負載條件下具有較低的靜態電流。
8. 關斷器件
9. 將溫度試驗箱設置為下一個選定的溫度,讓 PCB 溫度穩定大約 20 至30 分鐘,具體時長取決于 PCB 的熱容量和尺寸。
10. 短時間啟動器件,讀取萬用表上的電壓。
11. 再次關斷器件。繼續選擇下一個溫度試驗箱溫度。
12. 測量最大所需負載和最大環境溫度下的正向二極管電壓。
 
測量 PG 正向電壓二極管時,請記住以下幾點: 
 
●     校準電壓與結溫的斜率幾乎是線性的。為獲得最高準確度,請使用更多測量點和多項式擬合函數。檢查校準的可重復性。
●     相同類型的器件具有相似的斜率,但通常偏移量不同。
●     類似的器件通常斜率略有不同。
●     可能會產生一些副作用,如VOUT產生微小變化。這種情況不應視為故障,因為接點內部的耦合電流也會產生此類影響。
●     這種測量方法的主要優點是正向二極管電壓可用于計算任何負載下的結溫。
●     不需要溫度傳感器。
●     請注意,并非每個部件都可以使用 PG 引腳來測量電流。請聯系零件制造商獲取產品指南。
 
 測得的校準曲線
 
圖 4 顯示了具有線性擬合函數的一階 PG 正向二極管電壓與結溫之間的關系曲線圖。 PG 二極管由外部 1mA 電流源驅動,如圖 1 所示。 
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 4:EVQ4572-QB-00A 上測得的校準曲線
 
通過測量二極管電壓,再利用公式(1)可以計算出結溫:
 
直流開關電源結溫的直接測量法
 
將體二極管讀數與熱像儀讀數進行比較 表 1 直接比較了結溫讀數與視覺熱像儀讀數。環境溫度通過PT1000鉑電阻(28.0°C 時阻值為28.0°C)測量。
 
表 1:PG 正向二極管溫度讀數與熱像儀數據
直流開關電源結溫的直接測量法
 
由表 1 可以看出,測得的結溫與封裝PG 二極管部分得到的熱像儀數據差別不大。熱像儀顯示的溫度稍低,這是由于結合點和封裝頂面之間的塑封料熱阻引起的。將熱像儀的發射率調整到 0.95會比較適合封裝的塑封料。組件之間的結溫是不同的(例如,芯片內部的 PG 部分要比 MOSFET 部分溫度低)。 圖 5 為 PG 二極管部分和 MOSFET 部分的示意圖。 
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖5: MPQ4572封裝內的MOSFET部分和PG部分
 
如圖5和圖10所示,小信號部分和功率MOSFET部分位于不同的位置。PG 正向電壓二極管測量 PG 位置的結溫,因此必須將二極管溫度與該位置的熱像儀溫度進行比較。由于 MOSFET 部分的溫度相對高幾度,因此必須將這部分小偏移量疊加到最大結溫上。圖 6至圖13 顯示了與表 1 對應的熱像儀測量值。這些測量值均采用EVQ4572-QB-00A測得。 
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 6:ILOAD = 0mA 時的測量值
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 7:ILOAD = 10mA 時的測量值
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 8:ILOAD = 100mA 時的測量值
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 9:ILOAD = 500mA 時的測量值
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 10:ILOAD = 1000mA 時的測量值
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 11:ILOAD = 1500mA 時的測量值
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 12:ILOAD = 2000mA 時的測量值
 
直流開關電源結溫的直接測量法
圖 13:ILOAD = 2000mA (1)時的測量值
 
注意:
 
1) 2) 不推薦連續 2.5A 電流。 結論 對系統安全和失效模式與影響分析(FMEA)來說,了解系統結溫是一項重要且基本的要求。 在不能使用熱像儀的情況下,這種直接溫度讀出法簡化了設計工程師在溫度試驗箱中測試定制 PCB 的過程。工程師無需進行復雜且通常很耗時的操作,例如在器件封裝上固定溫度傳感器,即可獲得快速、可靠和準確的結溫數據。
 
來源:MPS
 
 
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