現(xiàn)代 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用集成 MOSFET 的 PWM 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn) DC-DC 模塊的最高功率密度。由于功率MOSFET位于PWM芯片內(nèi)部,因此它們會(huì)顯著影響器件的熱性能。因此,為了獲得最佳器件性能,在實(shí)際工作條件下確定PWM IC的熱降額特性至關(guān)重要。本文介紹如何構(gòu)建和校準(zhǔn)熱降額盒,以評(píng)估PWM控制器的熱性能。
介紹
在IC的評(píng)估階段,芯片的最終工作環(huán)境通常并不為人所知,并且該環(huán)境可能因應(yīng)用而異。了解便攜式和非便攜式應(yīng)用中的熱降額尤其重要,因?yàn)榻K端系統(tǒng)通常依賴于強(qiáng)制氣流進(jìn)行冷卻。這就是為什么在具有內(nèi)部MOSFET的脈寬調(diào)制(PWM)控制器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中包含熱降額圖的原因。降額曲線顯示了在給定氣流和環(huán)境溫度條件下可以從芯片中獲取多少功率。
為了確保應(yīng)用的熱環(huán)境不會(huì)使PWM控制器過(guò)載,可以使用熱降額圖來(lái)選擇合適的PWM IC。帶有熱降額盒的測(cè)試系統(tǒng)提供了一種評(píng)估PWM芯片熱降額性能的實(shí)用方法。
本文介紹如何構(gòu)建和校準(zhǔn)熱降額盒。兩個(gè)PWM控制器的測(cè)試結(jié)果顯示與實(shí)際工作條件非常匹配。
標(biāo)準(zhǔn)化熱測(cè)試
對(duì)于給定的模塊尺寸(包括散熱器)和給定的氣流,可以耗散的最大功率受物理場(chǎng)的限制。因此,可以估計(jì)熱性能。但是,如果沒有對(duì)IC測(cè)試環(huán)境的某種標(biāo)準(zhǔn)化控制,不同供應(yīng)商和不同封裝的熱降額結(jié)果將不一致。
生成標(biāo)準(zhǔn)器件降額數(shù)據(jù)的一種方法是實(shí)際測(cè)量模塊在不同氣流和環(huán)境溫度條件下的熱性能。熱降額盒將有一個(gè)評(píng)估(EV)板,該板安裝在箱內(nèi),PWM IC和一個(gè)可以校準(zhǔn)以獲得均勻氣流的風(fēng)扇。測(cè)試結(jié)果將被發(fā)布并由設(shè)計(jì)人員使用,作為為最終應(yīng)用選擇正確類型的模塊的基礎(chǔ)。
測(cè)試設(shè)備和校準(zhǔn)
創(chuàng)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的熱降額盒(圖1)。應(yīng)調(diào)整包裝盒尺寸,使最大的評(píng)估板適合內(nèi)部,并且包裝盒周圍有足夠的間隙。盒子的最小線性尺寸應(yīng)為 1 英尺 x 1 英尺。該測(cè)試盒的高度應(yīng)為 3 英寸以容納風(fēng)扇??梢允褂脙蓚€(gè)或多個(gè)風(fēng)扇來(lái)實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)均勻的氣流。箱體材料應(yīng)具有低導(dǎo)熱系數(shù);可以使用聚碳酸酯、聚丙烯或玻璃環(huán)氧板。厚度應(yīng)至少為3.2mm,以提供剛性側(cè)面。
圖1.熱降額盒環(huán)繞評(píng)估板,保持氣流可預(yù)測(cè),確保測(cè)量結(jié)果可重復(fù)。
將盒子水平放置在熱室內(nèi)。使用平均氣流計(jì)(圖2)校準(zhǔn)盒子,以測(cè)量盒子左側(cè)、中心和右側(cè)開口端的氣流,并確認(rèn)盒子內(nèi)的氣流是否均勻。將模塊放置在盒子中時(shí),請(qǐng)確保風(fēng)扇距離它至少 2 英寸。氣流可以通過(guò)使用電壓控制的變速風(fēng)扇和增加或減少電壓來(lái)調(diào)節(jié)。
圖2.盒子開口端的氣流計(jì)測(cè)量氣流以校準(zhǔn)后續(xù)的熱測(cè)量<
從標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估板開始,可以安裝在更大的板上,方便處理和放置。將較大的板從盒子底部抬高至少 1 英寸,以確保板下方氣流均勻。
一旦盒子進(jìn)入烤箱,您必須確定烤箱的氣流是否會(huì)影響降額盒內(nèi)的氣流。如果烤箱的氣流確實(shí)影響了盒子的氣流,請(qǐng)?jiān)跍y(cè)試外殼上放置一個(gè)較大的盒子,以保持盒子內(nèi)的均勻氣流。為了盡量減少干擾,請(qǐng)考慮安裝降額盒,其風(fēng)扇氣流與烤箱的氣流成直角。
可以使用常見的緊固件和粘合劑來(lái)組裝盒子——只要確保它們能夠承受烤箱中的更高溫度即可。熱電偶可以放置在IC的幾何中心。但是,熱電偶與IC的連接非常關(guān)鍵,因?yàn)楸仨毚_保熱電偶不充當(dāng)散熱器。最好的方法是使用最少量的熱環(huán)氧樹脂將熱電偶線連接到IC。
測(cè)量熱電偶輸出的儀表應(yīng)電氣浮動(dòng),以便溫度讀數(shù)不受施加到IC的任何電壓的影響。熱電偶導(dǎo)線尺寸可以是30 AWG或更小,導(dǎo)線的布線應(yīng)盡量減少對(duì)氣流的干擾。這同樣適用于來(lái)自被測(cè)電路板的電源和任何其他電線。
在實(shí)際進(jìn)行器件測(cè)試之前,必須校準(zhǔn)熱降額盒(見圖2)。表1顯示了空測(cè)試盒的校準(zhǔn)數(shù)據(jù),表2顯示了帶有評(píng)估板的測(cè)試盒的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)圖如圖3a和3b所示。對(duì)于這兩種配置,在箱內(nèi)測(cè)量幾乎均勻的氣流。
盒子準(zhǔn)備好后,將評(píng)估板安裝在測(cè)試板上,并將所有東西放入熱室。運(yùn)行腔室一段時(shí)間,以達(dá)到熱平衡。然后,評(píng)估板可以加載并運(yùn)行,直到溫度讀數(shù)穩(wěn)定。如果相隔5分鐘的兩個(gè)讀數(shù)變化不超過(guò)0.2°C,則可以假設(shè)已達(dá)到熱平衡。
最后,請(qǐng)注意,由于自然對(duì)流不穩(wěn)定,尤其是在較高的IC溫度和較高的功率水平下,因此很難確定無(wú)氣流的熱降額。
氣流 (LFM) | |||
風(fēng)扇 供應(yīng) (V) |
左 | 中心 | 右 |
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 |
氣流 (LFM) | |||
風(fēng)扇 供應(yīng) (V) |
左 | 中心 | 右 |
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.當(dāng)測(cè)試盒為空時(shí),三個(gè)氣流測(cè)量值提供基線信息。
圖 3b.將評(píng)估板插入測(cè)試盒后,重復(fù)進(jìn)行氣流測(cè)量,以識(shí)別氣流與空盒的差異。
測(cè)試結(jié)果
為了驗(yàn)證測(cè)試箱的性能,我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),測(cè)量了兩個(gè)Maxim PWM IC(MAX15035和MAX8686)的熱性能。測(cè)試結(jié)果分別如圖4a和4b所示。MAX15035為15A降壓穩(wěn)壓器,內(nèi)置開關(guān)。MAX8686為單/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)估板有四層,尺寸為2.4英寸x 2.4英寸,銅2盎司,MAX8686評(píng)估板為六層,尺寸為3.5英寸x 3.0英寸,銅質(zhì)為2盎司。
圖 4a.MAX15035的最大輸出電流與環(huán)境溫度的關(guān)系使用MAX15035評(píng)估板在測(cè)試盒中,可以確定三種不同氣流水平的熱降額曲線。
圖 4b.MAX8686的最大輸出電流與環(huán)境溫度的關(guān)系MAX8686的熱降額曲線顯示,在+50°C環(huán)境溫度下,控制器可以處理額定25A電流,氣流低至100 LFM。
通過(guò)捕獲這些真實(shí)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)人員可以更準(zhǔn)確地確定其應(yīng)用所需的熱降額。從這些熱降額圖中,最終用戶可以為其應(yīng)用選擇合適的器件。對(duì)于給定的環(huán)境溫度和氣流,該圖顯示了PWM IC在不超過(guò)芯片安全工作區(qū)域的情況下可以處理多少功率。如果PWM IC不符合應(yīng)用的安全工作標(biāo)準(zhǔn),則用戶必須增加可用于冷卻的氣流或改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)。
審核編輯:郭婷
-
MOSFET
+關(guān)注
關(guān)注
142文章
7006瀏覽量
212260 -
控制器
+關(guān)注
關(guān)注
112文章
16037瀏覽量
176693 -
PWM
+關(guān)注
關(guān)注
114文章
5105瀏覽量
212869
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論