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生顯著影響。為了優化器件性能，建立實際工作條件下PWM IC的溫度降額特性曲線非常關鍵。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境，不同的應用中芯片的工作環境也不盡相同。由于最終系統的運行狀況常常取決于現場的通風致冷條件，了解便攜產品和非便攜產品的溫度降額特性非常重要。正是考慮到這一點，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。降額曲線說明了在指定氣流強度和環境溫度下芯片能夠耗散的功率。

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

本文說明了如何構建、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，因此可以估算芯片的熱特性。然而，如果沒有一個標準化控制的IC測試環境，不同廠商針對不同封裝提供的溫度降額特性很難保持一致。

一種產生標準的器件降額數據的方法是：在不同氣流強度和環境溫度條件下實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，可以對風扇進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圍清潔。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，以便安裝風扇。為了得到均勻的氣流強度，可以安裝兩個或更多的風扇。測試盒的材料應采用低導熱率物質，可以使用聚碳酸酯、聚丙烯或玻璃環氧板樹脂，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圍，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，以對箱體進行校準。當模塊放入箱體內部時，確保與風扇相距至少2英寸。利用壓控變速風扇，通過提高或降低電壓調節氣流強度。


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圖2. 測試盒開口處的氣流計用于測量氣流強度，進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影響內部測試盒的降額特性。如果烤箱的氣流會影響到測試盒的氣流強度，則在測試盒外圍放置一個較大尺寸的箱體，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可以考慮使其風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上安裝熱電偶時需要特別注意，必須保證熱電偶不會作為芯片的散熱器。最好利用少許熱環氧樹脂將熱電偶安裝到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。熱電偶引線尺寸可以是30 AWG或更小，連線應盡量不受氣流的影響。電源和其它測試電路板的連線須注意相同事項。

實際測量之前，必須對溫度降額特性測試盒進行校準(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，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，并將整個裝置放入溫箱內。打開溫箱一段時間，使溫度達到指定的平衡點。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。

表1. 測試箱清空時，氣流強度的校準

測試結果

為了驗證測試盒的工作性能，我們對Maxim的兩款PWM IC (MAX15035和MAX8686)的溫度特性進行了測試，測試結果分別如圖4a和圖4b所示。MAX15035為內置開關的15A降壓型調節器，MAX8686為單相/多相、降壓型DC-DC轉換器，每相可提供高達25A的電流。MAX15035評估板采用四層板，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境溫度的關系曲線，利用MAX15035評估板在測試箱測試得到，溫度降額曲線對應于三個不同的氣流強度等級。


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

利用實際測量數據，設計人員可以更準確地判斷具體應用所需要的溫度降額特性。根據這些溫度降額特性曲線，最終用戶可以為他們的應用選擇正確的器件。對于給定的環境溫度和氣流強度，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在實際應用中不能滿足其安全工作條件，用戶只能通過增強空氣流通進行致冷或改善散熱來滿足設計的需求。