【導讀】設計人員經(jīng)常需要測量直流開關(guān)電源的結(jié)溫。這在溫度試驗箱中非常難于實現(xiàn),因為熱像儀不僅數(shù)據(jù)不準而且可能在高溫環(huán)境下?lián)p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(guān)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(jié)溫的實用方法。
背景信息
在最大指定負載和環(huán)境溫度下測量結(jié)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。
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(xiàn)高達 2A 的連續(xù)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(guān)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。
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(jié)溫
電源正常指示 (PG) 引腳連接帶體二極管的內(nèi)部 N 溝道 MOSFET。要準確測量結(jié)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?qū)犭娕贾苯雍附釉诰哂?EMC 靜電勢的電路板部分(例如 GND 或 VIN)(參見圖 3)。
圖3: 將熱電偶焊接在PCB上
1. 將內(nèi)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(tǒng)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(jié)溫的關(guān)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(guān)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(wěn)定的讀數(shù)。
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(jié)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(tài)電流。
8. 關(guān)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(wěn)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(guān)斷器件。繼續(xù)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(huán)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(jié)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(shù)。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(chǎn)生一些副作用,如VOUT產(chǎn)生微小變化。這種情況不應視為故障,因為接點內(nèi)部的耦合電流也會產(chǎn)生此類影響。
● 這種測量方法的主要優(yōu)點是正向二極管電壓可用于計算任何負載下的結(jié)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(lián)系零件制造商獲取產(chǎn)品指南。
測得的校準曲線
圖 4 顯示了具有線性擬合函數(shù)的一階 PG 正向二極管電壓與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線圖。 PG 二極管由外部 1mA 電流源驅(qū)動,如圖 1 所示。
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(jié)溫:
將體二極管讀數(shù)與熱像儀讀數(shù)進行比較 表 1 直接比較了結(jié)溫讀數(shù)與視覺熱像儀讀數(shù)。環(huán)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(shù)與熱像儀數(shù)據(jù)
由表 1 可以看出,測得的結(jié)溫與封裝PG 二極管部分得到的熱像儀數(shù)據(jù)差別不大。熱像儀顯示的溫度稍低,這是由于結(jié)合點和封裝頂面之間的塑封料熱阻引起的。將熱像儀的發(fā)射率調(diào)整到 0.95會比較適合封裝的塑封料。組件之間的結(jié)溫是不同的(例如,芯片內(nèi)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。
圖5: MPQ4572封裝內(nèi)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(jié)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(jié)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。
圖 6:ILOAD = 0mA 時的測量值
圖 7:ILOAD = 10mA 時的測量值
圖 8:ILOAD = 100mA 時的測量值
圖 9:ILOAD = 500mA 時的測量值
圖 10:ILOAD = 1000mA 時的測量值
圖 11:ILOAD = 1500mA 時的測量值
圖 12:ILOAD = 2000mA 時的測量值
圖 13:ILOAD = 2000mA (1)時的測量值
注意:
1) 2) 不推薦連續(xù) 2.5A 電流。 結(jié)論 對系統(tǒng)安全和失效模式與影響分析(FMEA)來說,了解系統(tǒng)結(jié)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(jié)溫數(shù)據(jù)。
來源:MPS
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