了解PWM IC的溫度降額特性以獲得系統(tǒng)的最佳性能

摘要：為了獲得更高功率密度的DC-DC模塊，現(xiàn)代DC-DC轉(zhuǎn)換器大多采用內(nèi)置MOSFET的PWM控制器。由于功率MOSFET放置在PWM芯片內(nèi)部，將對(duì)器件的溫度特性產(chǎn)生顯著影響。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非常關(guān)鍵。本文討論了溫度降額測(cè)試盒的構(gòu)建和校準(zhǔn)，用于評(píng)估PWM控制器的溫度特性。

引言

在IC評(píng)估階段通常還不確定芯片的最終工作環(huán)境，不同的應(yīng)用中芯片的工作環(huán)境也不盡相同。由于最終系統(tǒng)的運(yùn)行狀況常常取決于現(xiàn)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(nèi)置MOSFET的脈寬調(diào)制(PWM)控制器的數(shù)據(jù)資料中都給出了溫度降額特性曲線。降額曲線說明了在指定氣流強(qiáng)度和環(huán)境溫度下芯片能夠耗散的功率。

為了保證應(yīng)用環(huán)境中的熱量不會(huì)導(dǎo)致PWM控制器超負(fù)荷運(yùn)行，可以參考溫度降額特性曲線選擇合適的PWM IC。溫度降額測(cè)試盒提供了一個(gè)評(píng)估PWM芯片溫度降額性能的有效途徑。

本文說明了如何構(gòu)建、校準(zhǔn)溫度降額測(cè)試盒，對(duì)兩款PWM控制器的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際工作狀況非常接近。

 

標(biāo)準(zhǔn)的熱特性測(cè)試

對(duì)于給定的模塊尺寸(包括散熱器)和氣流強(qiáng)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，如果沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化控制的IC測(cè)試環(huán)境，不同廠商針對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的器件降額數(shù)據(jù)的方法是：在不同氣流強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件下實(shí)際測(cè)量模塊的溫度特性。溫度降額測(cè)試盒將放置一塊安裝了PWM IC的評(píng)估(EV)板，可以對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)整以獲得均勻的氣流。測(cè)試結(jié)果將公布在數(shù)據(jù)資料上，并作為針對(duì)具體應(yīng)用正確選擇模塊的依據(jù)。

 

測(cè)試設(shè)備和校準(zhǔn)

構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的溫度降額測(cè)試盒(圖1)，盒子尺寸應(yīng)該可以調(diào)節(jié)，以便裝入最大尺寸的評(píng)估板并保持盒子周圍清潔。測(cè)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(qiáng)度，可以安裝兩個(gè)或更多的風(fēng)扇。測(cè)試盒的材料應(yīng)采用低導(dǎo)熱率物質(zhì)，可以使用聚碳酸酯、聚丙烯或玻璃環(huán)氧板樹脂，厚度應(yīng)至少為3.2mm以保證適當(dāng)?shù)挠捕取?br />

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圖1. 溫度降額測(cè)試盒包圍在評(píng)估板周圍，并保持可預(yù)置的氣流強(qiáng)度，以確保測(cè)試的可重復(fù)性。

將測(cè)試盒水平放置在溫箱內(nèi)，利用平均氣流強(qiáng)度計(jì)(圖2)在箱體的開口處測(cè)量左側(cè)、中心和右側(cè)的氣流強(qiáng)度并確認(rèn)箱體內(nèi)部的氣流均勻，以對(duì)箱體進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)模塊放入箱體內(nèi)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，通過提高或降低電壓調(diào)節(jié)氣流強(qiáng)度。


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圖2. 測(cè)試盒開口處的氣流計(jì)用于測(cè)量氣流強(qiáng)度，進(jìn)而校準(zhǔn)熱特性測(cè)量參數(shù)。

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

測(cè)試盒放入烤箱內(nèi)部后，需要確認(rèn)烤箱的氣流不會(huì)影響內(nèi)部測(cè)試盒的降額特性。如果烤箱的氣流會(huì)影響到測(cè)試盒的氣流強(qiáng)度，則在測(cè)試盒外圍放置一個(gè)較大尺寸的箱體，以保持測(cè)試盒內(nèi)部的氣流均勻。為了減小干擾，安裝降額特性測(cè)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(cè)試盒，只需注意它們能夠承受烤箱內(nèi)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)氧樹脂將熱電偶安裝到IC上。

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

實(shí)際測(cè)量之前，必須對(duì)溫度降額特性測(cè)試盒進(jìn)行校準(zhǔn)(圖2)。表1列出了測(cè)試盒清空條件下的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；表2列出了測(cè)試盒內(nèi)安裝評(píng)估板后的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。圖3a和圖3b給出了測(cè)試曲線，兩種條件下，測(cè)試盒內(nèi)部保持幾乎均勻的氣流強(qiáng)度。

測(cè)試盒安裝就緒后，將評(píng)估板安裝在測(cè)試板上，并將整個(gè)裝置放入溫箱內(nèi)。打開溫箱一段時(shí)間，使溫度達(dá)到指定的平衡點(diǎn)。然后加載評(píng)估板并使其運(yùn)行，達(dá)到穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。如果在5分鐘間隔內(nèi)兩個(gè)溫度讀數(shù)的差別不大于0.2°C，則假設(shè)達(dá)到了熱平衡。

值得注意的是，很難獲得沒有氣流條件下的溫度降額參數(shù)，因?yàn)榭諝獾淖匀涣魍ㄊ遣环€(wěn)定的，尤其是在高溫、大功率IC條件下。

表1. 測(cè)試箱清空時(shí)，氣流強(qiáng)度的校準(zhǔn)

	Air Flow (LFM)
Fan Supply (V)	Left	Center	Right
3.3	102	98	91
4	215	207	187
6	339	337	323
8	449	447	445
10	565	585	581
12	685	709	673

表2. 測(cè)試箱安裝評(píng)估板時(shí)，氣流強(qiáng)度的校準(zhǔn)

	Air Flow (LFM)
Fan Supply (V)	Left	Center	Right
3.3	91	90	89
4	189	160	205
6	333	321	325
8	455	445	443
10	561	581	565
12	673	689	671

圖3a. 測(cè)試箱清空，三個(gè)氣流強(qiáng)度等級(jí)的測(cè)量結(jié)果。


圖3b. 將評(píng)估板置于測(cè)試箱內(nèi)，重復(fù)氣流強(qiáng)度測(cè)量以判斷與盒子清空條件下氣流測(cè)試結(jié)果的差異。

 

測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證測(cè)試盒的工作性能，我們對(duì)Maxim的兩款PWM IC (MAX15035和MAX8686)的溫度特性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如圖4a和圖4b所示。MAX15035為內(nèi)置開關(guān)的15A降壓型調(diào)節(jié)器，MAX8686為單相/多相、降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，每相可提供高達(dá)25A的電流。MAX15035評(píng)估板采用四層板，尺寸為2.4英寸 x 2.4英寸，2盎司覆銅；MAX8686評(píng)估板則采用六層板，尺寸為3.5英寸 x 3.0英寸，2盎司覆銅。


圖4a. MAX15035的最大輸出電流與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，利用MAX15035評(píng)估板在測(cè)試箱測(cè)試得到，溫度降額曲線對(duì)應(yīng)于三個(gè)不同的氣流強(qiáng)度等級(jí)。


圖4b. MAX8686的最大輸出電流與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，從MAX8686的溫度降額曲線可以看出：+50°C環(huán)境溫度、100 LFM氣流強(qiáng)度下，控制器能夠達(dá)到25A的額定電流。

利用實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以更準(zhǔn)確地判斷具體應(yīng)用所需要的溫度降額特性。根據(jù)這些溫度降額特性曲線，最終用戶可以為他們的應(yīng)用選擇正確的器件。對(duì)于給定的環(huán)境溫度和氣流強(qiáng)度，從特性曲線可以獲得在不超出芯片的安全工作范圍的前提下，PWM IC能夠提供的最大功率。如果PWM IC在實(shí)際應(yīng)用中不能滿足其安全工作條件，用戶只能通過增強(qiáng)空氣流通進(jìn)行致冷或改善散熱來滿足設(shè)計(jì)的需求。