直流开关电源的直接结温测量


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设计人员经常想测量直流开关电源的结温。这在温度室中尤其困难,因为热像仪不准确,在高温环境下可能会损坏,而且外部温度传感器很难固定在小包装上。本应用笔记将通过演示如何使用功率良好(PG)引脚的MOSFET体二极管实现直接读数温度测量方法,帮助读者理解测量IC结温的实用方法。这是一种使用二极管电压与温度关系的直接电压读出方法。

介绍

在许多应用中,在188比分直播吧最大指定负载和环境温度下测量结温是很重要的。无论是低成本的批量产品,还是安全或维持生命的应用,每个行业分支都对结温和最高允许温度的余量感兴趣。

图1示MPS的直流方框图MPQ4572,它使用PG体二极管。此设备将作为本应用说明的示例。

图1:MPQ4572中的PG n通道MOSFET体二极管

MPQ4572是一个完全集成,固定频率,同步降压转换器,可以实现高达2A的连续输出电流峰值电流控制。该设备提供4.5V到60V的输入电压范围,以适应各种降压应用。188比分直播吧通过PG引脚上的体二极管(MOSFET的一部分)正向施加1mA电流源(见图1)

二极管电压与温度的曲线可以测量EVQ4572-QB-00A评估板(见图2).它也可以直接从一个定制板测量。二极管曲线特性取决于温度,而不是PCB尺寸。

图2:EVQ4572-QB-00A四层评估板(8.9cmx8.9cm)

设计过程

电源好(PG)引脚有一个内部n通道MOSFET与一个体二极管。为了准确测量结温,必须校准正向二极管电压和温度。按以下步骤进行校正:

    1. 从PG引脚断开任何电阻,微控制器或部件。
    2. 将一个温度传感器(例如一个小型PT1000, 4线制)粘在正在测试的设备包的顶部。

另一种方法是将浮动热电偶焊接到被测设备附近(建议将该热电偶焊接到GND)。将温度传感器固定在包装上是一项艰巨的任务,因此使用尽可能小的传感器。温度传感器不能作为小包装的散热片。使用导热胶将PT1000温度传感器固定在封装上,或使用热电偶直接焊接到单板上具有EMC安静电位的部分(例如GND或V(见图3)

图3:焊接热电偶到PCB

  • 将内置二极管测试功能的精密万用表和1mA电流源连接到PG引脚(见图1和图5).可以使用更小的电流,但系统在校准和测量时必须具有相同的电流。
  • 在气候室中测量正向二极管电压与结温的关系。
  • 测量二极管电压时,设备的电源电压低于所需的输入电压(V).确定哪个V值具有有效校准,因为V会影响效率,因此也会影响器件温度。不接负载就行了直流/直流转换器输出。
  • 用评估板或定制PCB进行测量。
  • 关掉设备。
  • 启动气候箱(例如25°C),确保外部温度传感器读数稳定。
  • 短时间开机,并在万用表上读取电压。在没有负载的情况下,结温应该不会显著上升,因为结中的功率损耗很低(只有几mW)。如果可能,使用高级异步模式(AAM),因为它在小负载下的低静态电流。
  • 关掉设备。
  • 将气候室设置为下一个选定的温度,让PCB的温度稳定大约20到30分钟,这取决于PCB的比热容和尺寸。
  • 短时间开机,并在万用表上读取电压。
  • 再次关闭设备。继续为气候室选择下一个温度。
  • 在最大期望负载和最大环境温度下测量正向二极管电压。

注意事项

当测量PG正向电压二极管时,请记住以下几点:

  • 校准电压与结温的斜率几乎是线性的。为了获得最高的精度,使用更多的点和多项式拟合函数。检查校准的重复性。
  • 相同类型的器件具有相似的斜率,但通常偏移量不同。
  • 类似的设备通常会有略微不同的坡度。
  • 副作用,比如小V改变,是可能的。这不应该被认为是故障,因为结内的耦合电流会导致这种影响。
  • 这种测量方法的主要优点是二极管正向电压可用于计算任何负载下的结温。
  • 不需要温度传感器。
  • 注意,不是每个部件都可以使用PG引脚来测量电流;产品指导请联系零件制造商。

测量校准曲线

图4示一阶PG正向二极管电压与结温关系图,具有线性拟合函数。PG二极管由如图所示的外部1mA电流源驱动图1

图4:EVQ4572-QB-00A的测量校准曲线

通过测量二极管电压,可以计算结温方程(1)

$ $电压(T_ {J})识别= -0.8068 \空间x \空间T_ {J} \空间x \ \识别裂缝分析{mV}{ºc} + 592.88 mV $ $

将身体二极管读数与热感摄像机进行比较

表1显示了结温度读数和视觉热成像相机之间的直接比较。环境温度用铂电阻型PT1000 (1109Ω, 28.0°C)测量。

表1:PG正向二极管温度读数vs.热像仪



表1所测得的结温与封装PG二极管部分上的热像仪相当。相机方法显示了较低的温度,这是由结点和包顶表面之间的模具化合物的热阻引起的。相机被调整为0.95的发射率,这是一个很好的适合模具复合包装。元件之间的结温不一致(例如,模具内的PG部分比MOSFET部分更冷)。图5所示为PG二极管部分和MOSFET部分。

图5:带有MOSFET和PG部分的MPQ4572封装

不同电流负载下的热测量

图5和图10时,小信号段与功率MOSFET段处于不同位置。PG正向电压二极管测量PG位置的结温,因此二极管温度必须与该位置的摄像机温度进行比较。因为MOSFET的温度要高几度,所以这个小的偏移量必须加到最大结温上。数字6-13显示对应的相机测量值表1.这些测量均使用EVQ4572-QB-00A进行。

6

图6:当我负载马= 0

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图8:当I负载马= 100

10

图10:当我负载马= 1000

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图12:当我负载马= 2000

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图7:当我负载马= 10

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图9:当我负载马= 500

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图11:当我负载马= 1500

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图13:当我负载= 2500mA (1)

注意:

1)不建议连续使用2.5A电流。

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失效模式与影响分析(FMEA)

失效模式和影响分析(FMEA)是一种在完整系统中检查组件和子系统的方法。FMEA的目的是识别潜在的失效模式,以及它们的影响和原因。每个组件都使用定义的过程进行测试,以模拟失败的组件或超出其标称值的组件。每个失效组件都会影响整个系统的失效模式。通过了解这些故障模式的结果,设计人员可以确定是否由于所选组件而导致系统精度的损失,或者是否对用户或环境存在潜在危险。

通过上述方法直接测量结温,即使在困难的操作条件下,设计人员也可以轻松地获得结温的准确测量。直流开关电源的结温通常是PCB上最温暖的区域,这是FMEA的有用信息。

高加速寿命试验(HALT)

高加速寿命测试(HALT)是一种用于提高产品可靠性的测试,适用于许多行业,包括电子、医疗、计算机、汽车和军事。HALT测试通常在组件或系统的规定的最高工作温度和机械振动水平之外进行。这个测试的目的是理解系统的行为。

例如,考虑直流开关电源的温度是否超过规定的最大结温。通过直接测量结温,用户可以快速了解设备是否在超出其极限的情况下运行。HALT搜索系统中“未知”的未知,因此能够测量组件发生故障的确切温度提供了至关重要的信息。

高加速应力筛选(HASS)

高加速应力筛选(HASS)是一种用于发现产品制造缺陷的有效生产筛选方法。HASS的目标是在产品生命周期的生产阶段加速发现制造缺陷,以减少相关故障。

结论

这种直接温度读数方法简化了设计工程师在温度室中测试定制PCB时的过程,在温度室中不能使用热成像摄像机。这种有用的方法实现了快速、可靠和准确的结温数据,而无需在器件封装上固定温度传感器等复杂且通常耗时的过程。

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