溫度監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化電源設(shè)計(jì)中的冷卻系統(tǒng)

與低功率同類產(chǎn)品不同，MOSFET、IGBT、功率二極管和晶閘管等功率器件會(huì)產(chǎn)生大量熱量。因此，有效的熱管理對(duì)于確保電力電子設(shè)備的可靠性和優(yōu)化的壽命性能至關(guān)重要，包括由更高工作溫度、寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料制成的設(shè)備。

原則上，半導(dǎo)體的壽命與工作期間達(dá)到的結(jié)溫 (TJ) 成反比。組件的散熱越好，就越有可能達(dá)到其最大預(yù)期壽命。對(duì)于大多數(shù)基于硅的組件，能夠確保設(shè)備安全運(yùn)行的 TJ 最大值約為 150°C;對(duì)于 IGBT，最高結(jié)溫為 175°C。

熱管理基礎(chǔ)知識(shí)

電子元件在運(yùn)行過(guò)程中溫度升高，直到器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量與周圍環(huán)境散發(fā)的熱量相等，達(dá)到平衡狀態(tài)。牛頓冷卻定律指出，散熱率與元件本體與外部環(huán)境的溫差成正比。當(dāng)產(chǎn)生溫差時(shí)，熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū)，類似于由電勢(shì)差產(chǎn)生的電流。

熱導(dǎo)率 (k) 是表示材料導(dǎo)熱能力的量，單位為瓦特每米開爾文 (W/mK) 或瓦特每厘米開爾文 (W/cm-K)。已知K，可根據(jù)公式求出一定體積材料的熱阻(θ)：

θ = L / (K × A)

其中L為材料的長(zhǎng)度或厚度，單位為米，K為導(dǎo)熱系數(shù)材料，A是橫截面積，m 2。

通常，在兩個(gè)參考點(diǎn)之間測(cè)量時(shí)，熱阻等于 100°C/W 的器件對(duì)于 1 W 的功耗會(huì)表現(xiàn)出 100°C 的溫差。如果熱管理處理不當(dāng)，在平衡點(diǎn)達(dá)到的溫度可能會(huì)過(guò)高，從而降低設(shè)備性能并可能導(dǎo)致設(shè)備故障。對(duì)單個(gè)功率器件所做的相同考慮可以應(yīng)用于整個(gè)電路或電子板。

冷卻解決方案

可以采用各種冷卻解決方案將結(jié)溫保持在安全范圍內(nèi)。理想情況下，鑒于熱管理對(duì)電力電子設(shè)備的使用壽命很重要，應(yīng)從設(shè)計(jì)的初始階段開始解決熱管理問(wèn)題。

如果組件受到強(qiáng)制氣流，則散熱率更高;因此，冷卻組件的第一種方法是使用風(fēng)扇。為設(shè)計(jì)選擇正確的尺寸和旋轉(zhuǎn)速度很重要，對(duì)于將多張卡放置在同一機(jī)架內(nèi)的應(yīng)用，可能需要以促進(jìn)空氣正常流動(dòng)的方式設(shè)計(jì)機(jī)械部件。

組件產(chǎn)生的大部分熱量通過(guò)其外表面消散。因此，另一種改善散熱的方法是通過(guò)將設(shè)備連接到具有高導(dǎo)熱率的散熱器來(lái)人為地增加設(shè)備表面。散熱器是在鋁、銅或源自這些金屬的合金等材料上使用沖壓、擠壓或鑄造工藝制造的。散熱器通常具有翅片結(jié)構(gòu)，以最大化用于冷卻的有用表面。為了進(jìn)一步改善冷卻，一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇用于產(chǎn)生朝向散熱器的強(qiáng)制空氣流。導(dǎo)熱膏的應(yīng)用可以減少組件和散熱器之間的間隙，降低兩者之間接觸點(diǎn)的熱阻。

如果需要散發(fā)大量熱量，例如大型開關(guān)電源，風(fēng)扇和散熱器可能會(huì)被證明是不夠的。在這種情況下可以使用的方法包括液體冷卻、熱管和珀?duì)柼姵亍?

正確的熱管理始于 PCB 的設(shè)計(jì)：走線寬度和厚度、熱通孔和大面積的銅都極大地影響散熱。正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻是另一種有用的熱管理解決方案。由于其非線性特性，PTC熱敏電阻在室溫下具有低電阻。隨著溫度升高，電阻增加，要消散的熱量增加，熱敏電阻觸發(fā)，限制電流并降低器件溫度。

除了傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)外，市場(chǎng)上還出現(xiàn)了熱電薄膜材料等創(chuàng)新解決方案。這些材料與當(dāng)前的半導(dǎo)體制造工藝兼容，厚度從幾納米到幾微米不等，可以將冷卻功能直接集成到功率器件中。

類似的解決方案是熱銅柱凸塊，它將熱電薄膜材料集成到倒裝芯片封裝中。利用熱電效應(yīng)，這種緊湊的解決方案(材料厚度為幾微米)為功率器件、激光二極管、GPU 和 FPGA 提供高效冷卻。

溫度管理單元

準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測(cè)是許多電子電源應(yīng)用中的關(guān)鍵操作。大多數(shù)電氣參數(shù)在某種程度上取決于溫度。然而，最常用的溫度敏感參數(shù) (TSP) 之一是恒定電流通過(guò)的二極管的正向壓降。典型的溫度測(cè)量單元 (TMU) 解決。

除了二極管，系統(tǒng)中的 TMU 還包括一個(gè)電壓緩沖器、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和一個(gè)邏輯器件。這種類型的集成電路提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，通過(guò)高速數(shù)字接口(I2C、SPI 或 APB)與主機(jī)系統(tǒng)通信。

ADI 公司提供范圍廣泛的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。一個(gè)例子是 LTC2986，它支持不同的溫度測(cè)量傳感器，并以 0.1°C 的精度和 0.001°C 的分辨率以數(shù)字方式輸出結(jié)果(以°C 或°F 為單位)。LTC2986 可以測(cè)量幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)(B、E、J、K、N、S、R、T 型)或定制熱電偶的溫度，自動(dòng)補(bǔ)償冷端溫度，并使結(jié)果線性化。該設(shè)備還可以使用標(biāo)準(zhǔn)的兩線、三線或四線 RTD、熱敏電阻和二極管測(cè)量溫度。它包括適用于每種溫度傳感器的勵(lì)磁電流源和故障檢測(cè)電路。

LTC2986-1 是 LTC2986 的 E2PROM 版本。LTC2986/LTC2986-1 器件 是 20 通道 LTC2983/LTC2984 的 10 通道軟件和引腳兼容版本。其他功能包括在通用多傳感器應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)輕松保護(hù)的特殊模式、用于通用 ADC 讀數(shù)的自定義表格以及來(lái)自有源模擬溫度傳感器的直接溫度讀數(shù)。

熱電偶可以測(cè)量從 –265°C 到超過(guò) 1,800°C 的溫度，并根據(jù)尖端(熱電偶溫度)和電路板上的電氣連接(冷端溫度)之間的溫差產(chǎn)生電壓。冷端溫度可以通過(guò)在冷端放置一個(gè)單獨(dú)的溫度傳感器(例如二極管、諧振隧道二極管 [RTD] 或熱敏電阻)來(lái)確定。

這些應(yīng)用包括直接熱電偶測(cè)量、直接 RTD 測(cè)量、直接熱敏電阻測(cè)量和定制傳感器應(yīng)用。