应用笔记 4456

了解PWM IC的温度降额特性以获得系统的最佳性能

By: Suresh Kariyadan

摘要 : 为了获得更高功率密度的DC-DC模块,现代DC-DC转换器大多采用内置MOSFET的PWM控制器。由于功率MOSFET放置在PWM芯片内部,将对器件的温度特性产生显著影响。为了优化器件性能,建立实际工作条件下PWM IC的温度降额特性曲线非常关键。本文讨论了温度降额测试盒的构建和校准,用于评估PWM控制器的温度特性。

本文还发表在Maxim工程期刊,第66期(PDF, 5MB)。

本文发表于2009年2月的Power Electronics Technology杂志。

引言

在IC评估阶段通常还不确定芯片的最终工作环境,不同的应用中芯片的工作环境也不尽相同。由于最终系统的运行状况常常取决于现场的通风致冷条件,了解便携产品和非便携产品的温度降额特性非常重要。正是考虑到这一点,在内置MOSFET的脉宽调制(PWM)控制器的数据资料中都给出了温度降额特性曲线。降额曲线说明了在指定气流强度和环境温度下芯片能够耗散的功率。

为了保证应用环境中的热量不会导致PWM控制器超负荷运行,可以参考温度降额特性曲线选择合适的PWM IC。温度降额测试盒提供了一个评估PWM芯片温度降额性能的有效途径。

本文说明了如何构建、校准温度降额测试盒,对两款PWM控制器的测试结果与实际工作状况非常接近。

标准的热特性测试

对于给定的模块尺寸(包括散热器)和气流强度,芯片能够耗散的最大功率与物理特性有关,因此可以估算芯片的热特性。然而,如果没有一个标准化控制的IC测试环境,不同厂商针对不同封装提供的温度降额特性很难保持一致。

一种产生标准的器件降额数据的方法是:在不同气流强度和环境温度条件下实际测量模块的温度特性。温度降额测试盒将放置一块安装了PWM IC的评估(EV)板,可以对风扇进行调整以获得均匀的气流。测试结果将公布在数据资料上,并作为针对具体应用正确选择模块的依据。

测试设备和校准

构建标准的温度降额测试盒(图1),盒子尺寸应该可以调节,以便装入最大尺寸的评估板并保持盒子周围清洁。测试盒的最小平面尺寸为1英尺 x 1英尺,最大高度为3英寸,以便安装风扇。为了得到均匀的气流强度,可以安装两个或更多的风扇。测试盒的材料应采用低导热率物质,可以使用聚碳酸酯、聚丙烯或玻璃环氧板树脂,厚度应至少为3.2mm以保证适当的硬度。

图1. 温度降额测试盒包围在评估板周围,并保持可预置的气流强度,以确保测试的可重复性。
详细图片
(PDF, 5.50MB)
图1. 温度降额测试盒包围在评估板周围,并保持可预置的气流强度,以确保测试的可重复性。

将测试盒水平放置在温箱内,利用平均气流强度计(图2)在箱体的开口处测量左侧、中心和右侧的气流强度并确认箱体内部的气流均匀,以对箱体进行校准。当模块放入箱体内部时,确保与风扇相距至少2英寸。利用压控变速风扇,通过提高或降低电压调节气流强度。

图2. 测试盒开口处的气流计用于测量气流强度,进而校准热特性测量参数。
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(PDF, 4.57MB)
图2. 测试盒开口处的气流计用于测量气流强度,进而校准热特性测量参数。

从一块标准的评估板入手,可以将它安装在一块较大的板子上以便操作、测试。大尺寸板距离测试盒底部至少1英寸,以确保板的下方保持均匀的气流。

测试盒放入烤箱内部后,需要确认烤箱的气流不会影响内部测试盒的降额特性。如果烤箱的气流会影响到测试盒的气流强度,则在测试盒外围放置一个较大尺寸的箱体,以保持测试盒内部的气流均匀。为了减小干扰,安装降额特性测试盒时可以考虑使其风扇的气流方向与烤箱的气流方向保持一定的角度。

可以使用普通的固定螺丝和粘合剂固定测试盒,只需注意它们能够承受烤箱内部的温度。将热电偶安装在IC几何尺寸的中心,在IC上安装热电偶时需要特别注意,必须保证热电偶不会作为芯片的散热器。最好利用少许热环氧树脂将热电偶安装到IC上。

温度表测量的热电偶输出端应该电气浮地,以便温度读数不受作用在IC上的任何电压的影响。热电偶引线尺寸可以是30 AWG或更小,连线应尽量不受气流的影响。电源和其它测试电路板的连线须注意相同事项。

实际测量之前,必须对温度降额特性测试盒进行校准(图2)。表1列出了测试盒清空条件下的校准数据;表2列出了测试盒内安装评估板后的校准数据。图3a图3b给出了测试曲线,两种条件下,测试盒内部保持几乎均匀的气流强度。

测试盒安装就绪后,将评估板安装在测试板上,并将整个装置放入温箱内。打开温箱一段时间,使温度达到指定的平衡点。然后加载评估板并使其运行,达到稳定的温度读数。如果在5分钟间隔内两个温度读数的差别不大于0.2°C,则假设达到了热平衡。

值得注意的是,很难获得没有气流条件下的温度降额参数,因为空气的自然流通是不稳定的,尤其是在高温、大功率IC条件下。

表1. 测试箱清空时,气流强度的校准
  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. 测试箱安装评估板时,气流强度的校准
  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

图3a. 测试箱清空,三个气流强度等级的测量结果。
图3a. 测试箱清空,三个气流强度等级的测量结果。

图3b. 将评估板置于测试箱内,重复气流强度测量以判断与盒子清空条件下气流测试结果的差异。
图3b. 将评估板置于测试箱内,重复气流强度测量以判断与盒子清空条件下气流测试结果的差异。

测试结果

为了验证测试盒的工作性能,我们对Maxim的两款PWM IC (MAX15035和MAX8686)的温度特性进行了测试,测试结果分别如图4a图4b所示。MAX15035为内置开关的15A降压型调节器,MAX8686为单相/多相、降压型DC-DC转换器,每相可提供高达25A的电流。MAX15035评估板采用四层板,尺寸为2.4英寸 x 2.4英寸,2盎司覆铜;MAX8686评估板则采用六层板,尺寸为3.5英寸 x 3.0英寸,2盎司覆铜。

图4a. MAX15035的最大输出电流与环境温度的关系曲线,利用MAX15035评估板在测试箱测试得到,温度降额曲线对应于三个不同的气流强度等级。
图4a. MAX15035的最大输出电流与环境温度的关系曲线,利用MAX15035评估板在测试箱测试得到,温度降额曲线对应于三个不同的气流强度等级。

图4b. MAX8686的最大输出电流与环境温度的关系曲线,从MAX8686的温度降额曲线可以看出:+50°C环境温度、100 LFM气流强度下,控制器能够达到25A的额定电流。
图4b. MAX8686的最大输出电流与环境温度的关系曲线,从MAX8686的温度降额曲线可以看出:+50°C环境温度、100 LFM气流强度下,控制器能够达到25A的额定电流。

利用实际测量数据,设计人员可以更准确地判断具体应用所需要的温度降额特性。根据这些温度降额特性曲线,最终用户可以为他们的应用选择正确的器件。对于给定的环境温度和气流强度,从特性曲线可以获得在不超出芯片的安全工作范围的前提下,PWM IC能够提供的最大功率。如果PWM IC在实际应用中不能满足其安全工作条件,用户只能通过增强空气流通进行致冷或改善散热来满足设计的需求。

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