了解PWM IC的溫度降額特性以獲得系統的最佳性能

摘要：為了獲得更高功率密度的DC-DC模塊，現代DC-DC轉換器大多采用內置MOSFET的PWM控制器。由于功率MOSFET放置在PWM芯片內部，將對器件的溫度特性產(chǎn)生顯著(zhù)影響。為了優(yōu)化器件性能，建立實(shí)際工作條件下PWM IC的溫度降額特性曲線(xiàn)非常關(guān)鍵。本文討論了溫度降額測試盒的構建和校準，用于評估PWM控制器的溫度特性。

引言

在IC評估階段通常還不確定芯片的最終工作環(huán)境，不同的應用中芯片的工作環(huán)境也不盡相同。由于最終系統的運行狀況常常取決于現場(chǎng)的通風(fēng)致冷條件，了解便攜產(chǎn)品和非便攜產(chǎn)品的溫度降額特性非常重要。正是考慮到這一點(diǎn)，在內置MOSFET的脈寬調制(PWM)控制器的數據資料中都給出了溫度降額特性曲線(xiàn)。降額曲線(xiàn)說(shuō)明了在指定氣流強度和環(huán)境溫度下芯片能夠耗散的功率。

為了保證應用環(huán)境中的熱量不會(huì )導致PWM控制器超負荷運行，可以參考溫度降額特性曲線(xiàn)選擇合適的PWM IC。溫度降額測試盒提供了一個(gè)評估PWM芯片溫度降額性能的有效途徑。

本文說(shuō)明了如何構建、校準溫度降額測試盒，對兩款PWM控制器的測試結果與實(shí)際工作狀況非常接近。

標準的熱特性測試

對于給定的模塊尺寸(包括散熱器)和氣流強度，芯片能夠耗散的最大功率與物理特性有關(guān)，因此可以估算芯片的熱特性。然而，如果沒(méi)有一個(gè)標準化控制的IC測試環(huán)境，不同廠(chǎng)商針對不同封裝提供的溫度降額特性很難保持一致。

一種產(chǎn)生標準的器件降額數據的方法是：在不同氣流強度和環(huán)境溫度條件下實(shí)際測量模塊的溫度特性。溫度降額測試盒將放置一塊安裝了PWM IC的評估(EV)板，可以對風(fēng)扇進(jìn)行調整以獲得均勻的氣流。測試結果將公布在數據資料上，并作為針對具體應用正確選擇模塊的依據。

測試設備和校準

構建標準的溫度降額測試盒(圖1)，盒子尺寸應該可以調節，以便裝入最大尺寸的評估板并保持盒子周?chē)鍧?。測試盒的最小平面尺寸為1英尺 x 1英尺，最大高度為3英寸，以便安裝風(fēng)扇。為了得到均勻的氣流強度，可以安裝兩個(gè)或更多的風(fēng)扇。測試盒的材料應采用低導熱率物質(zhì)，可以使用聚碳酸酯、聚丙烯或玻璃環(huán)氧板樹(shù)脂，厚度應至少為3.2mm以保證適當的硬度。


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圖1. 溫度降額測試盒包圍在評估板周?chē)?，并保持可預置的氣流強度，以確保測試的可重復性。

將測試盒水平放置在溫箱內，利用平均氣流強度計(圖2)在箱體的開(kāi)口處測量左側、中心和右側的氣流強度并確認箱體內部的氣流均勻，以對箱體進(jìn)行校準。當模塊放入箱體內部時(shí)，確保與風(fēng)扇相距至少2英寸。利用壓控變速風(fēng)扇，通過(guò)提高或降低電壓調節氣流強度。


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圖2. 測試盒開(kāi)口處的氣流計用于測量氣流強度，進(jìn)而校準熱特性測量參數。

從一塊標準的評估板入手，可以將它安裝在一塊較大的板子上以便操作、測試。大尺寸板距離測試盒底部至少1英寸，以確保板的下方保持均勻的氣流。

測試盒放入烤箱內部后，需要確認烤箱的氣流不會(huì )影響內部測試盒的降額特性。如果烤箱的氣流會(huì )影響到測試盒的氣流強度，則在測試盒外圍放置一個(gè)較大尺寸的箱體，以保持測試盒內部的氣流均勻。為了減小干擾，安裝降額特性測試盒時(shí)可以考慮使其風(fēng)扇的氣流方向與烤箱的氣流方向保持一定的角度。

可以使用普通的固定螺絲和粘合劑固定測試盒，只需注意它們能夠承受烤箱內部的溫度。將熱電偶安裝在IC幾何尺寸的中心，在IC上安裝熱電偶時(shí)需要特別注意，必須保證熱電偶不會(huì )作為芯片的散熱器。最好利用少許熱環(huán)氧樹(shù)脂將熱電偶安裝到IC上。

溫度表測量的熱電偶輸出端應該電氣浮地，以便溫度讀數不受作用在IC上的任何電壓的影響。熱電偶引線(xiàn)尺寸可以是30 AWG或更小，連線(xiàn)應盡量不受氣流的影響。電源和其它測試電路板的連線(xiàn)須注意相同事項。

實(shí)際測量之前，必須對溫度降額特性測試盒進(jìn)行校準(圖2)。表1列出了測試盒清空條件下的校準數據；表2列出了測試盒內安裝評估板后的校準數據。圖3a和圖3b給出了測試曲線(xiàn)，兩種條件下，測試盒內部保持幾乎均勻的氣流強度。

測試盒安裝就緒后，將評估板安裝在測試板上，并將整個(gè)裝置放入溫箱內。打開(kāi)溫箱一段時(shí)間，使溫度達到指定的平衡點(diǎn)。然后加載評估板并使其運行，達到穩定的溫度讀數。如果在5分鐘間隔內兩個(gè)溫度讀數的差別不大于0.2°C，則假設達到了熱平衡。

值得注意的是，很難獲得沒(méi)有氣流條件下的溫度降額參數，因為空氣的自然流通是不穩定的，尤其是在高溫、大功率IC條件下。