实现读数温度测量机构

文章作者:拉尔夫·欧姆伯格

设计人员经常想测量直流开关电源的结温。从安全、失效模式和影响分析(FMEA)的角度出发，了解系统的结温是一个重要而基本的要求。在许多应用中，测量在最大规定负载和环境温度下的结温是很重要的。

然而，由于热成像相机不准确，在高温环境下可能会损坏，所以在温度室中通常很难做到。此外，外部温度传感器很难固定在小包装上。本文介绍了一种测量集成电路结温的实用方法，演示了如何使用功率良好(PG)引脚上的MOSFET体二极管实现直接读出温度测量方法。这是一种使用二极管电压和温度关系的直接电压读出方法。

图1这是一个使用PG n沟道MOSFET体的降压转换器的框图。来源:独立电力系统

一个完全集成，固定频率，同步降压变换器-MPQ4572在这个案例研究中，可以实现高达2 A的连续输出电流与峰值电流控制。该设备提供4.5到60V的输入电压范围，以适应各种降压应用。通过体二极管(mosfet的一部分)在PG引脚上施加1 mA的电流源(图1）.

二极管电压与温度曲线可以使用EVQ4572-QB-00A评估委员会(图2）.它也可以直接从一个定制板测量。这里需要注意的是，二极管曲线特性取决于温度，而不是PCB尺寸。

图2采用测量8.9×8.9 cm的四层评价板测量二极管曲线特性。来源:单片电源系统

用PG体二极管测量结温

PG引脚具有内部n沟道MOSFET和体二极管。为了准确测量结温，必须校准正向二极管电压和温度。按以下步骤进行校正:

1. 从PG引脚断开任何电阻、微控制器或其他部分。

2. 将一个类似于4线pt1000的温度传感器粘在被测试的设备包的顶部。另一种方法是在被测设备附近焊接一个浮动热电偶;建议将该热电偶焊接到GND。将温度传感器固定在包装上是一项艰巨的任务，所以要使用尽可能小的传感器。温度传感器不应充当小包装的散热片。使用导热胶将PT1000温度传感器固定在封装上，或直接将热电偶焊接在具有EMC安静电位(图3）.

图3热电偶焊接到PCB上。来源:单片电源系统。

1. 如图1和图5所示，将一个具有内置二极管测试功能的精密万用表和一个1ma电流源连接到PG引脚。可以使用较小的电流，但在校准和测量时，系统必须具有相同的电流。

2. 在气候室中测量正向二极管电压与结温的关系。

3. 测量二极管电压，当设备由电源电压提供所需的输入电压(V_在）.确定哪些V_在值有有效的校准，因为V_在会影响效率，因此也会影响器件温度。请勿在DC/DC变换器输出端连接负载。

4. 用评估板或定制的PCB进行测量。

5. 关闭设备。

6. 启动气候室，例如在25°C，并确保外部温度传感器显示稳定读数。

7. 短时间打开设备，读取万用表上的电压。在没有负载的情况下，结温不应显著升高，因为结内的功率损耗很低(只有几毫瓦)。如果可能，使用先进的异步模式(AAM)，以确保在小负载下的低静态电流。

8. 关闭设备。

9. 根据PCB的比热容量和尺寸，将气候室设置为下一个选定的温度，并让PCB温度稳定大约20至30分钟。

10. 短时间打开设备，读取万用表上的电压。

11. 再次关闭设备。继续为气候室选择下一个温度。

12. 测量二极管在最大期望负载和最大环境温度下的正向电压。

当测量PG正向二极管电压时，请记住以下几点:

• 这个校准电压与结温的斜率几乎是线性的。为了获得最高的精度，使用更多的点和多项式拟合函数。检查校准的重复性。
• 同一类型的设备有相似的坡度，但往往有不同的偏移量。
• 类似的设备通常会有轻微不同的坡度。
• 副作用如V的小变化_出是有可能的。这不应该被认为是一种故障，因为耦合电流在结内可以造成这种影响。
• 这种测量方法的主要优点是，二极管正向电压可以用来计算任何负载下的结温。
• 不需要温度传感器。
• 注意，不是每个部件都可以使用PG引脚来测量电流;联系零件制造商进行产品指导。

测量校准曲线

图4给出了一阶PG正向二极管电压与结温的线性拟合曲线。如图1所示，PG二极管由外部1ma电流源驱动。

图4在EVQ4572-QB-00A上测量的校准曲线具有线性拟合函数。来源:单片电源系统

通过测量二极管电压，可以用公式1计算结温:

二极管和热成像读数

表1显示出的结温度和视觉热摄像机之间的直接比较。环境温度用铂电阻PT1000 (1,109Ω为28℃)测量。

表1PG正向二极管温度读数与热成像读数进行了比较。来源:单片电源系统

表1显示了测量到的结温度与热摄像机上的PG二极管部分封装。摄像机方法显示较低的温度，这是由于模具化合物之间的结和包顶表面的热电阻造成的。

相机调整到0.95发射率，这是一个很好的适合模具化合物的包。元件间结温不一致;例如，模具内部的PG部分比MOSFET部分更冷。图5显示了PG二极管部分和MOSFET部分。

图5MPQ4572封装的框图突出了MOSFET和PG部分。来源:单片电源系统

如图5所示图10，小信号部分和功率MOSFET部分在不同的位置。PG正向电压二极管测量PG位置的结温，因此二极管温度必须与摄像机在该位置的温度进行比较。因为MOSFET的温度升高了几度，这个小的偏移量必须加到最大结温上。

数字6-13显示与表1相对应的相机测量值。这些测量都是使用EVQ4572-QB-00A评估板进行的。

图6这张照片显示了我_负载= 0。来源:单片电源系统

图7这张照片显示了我_负载= 10。来源:单片电源系统

图8这张照片显示了我_负载= 100 mA。来源:单片电源系统

图9这张照片显示了我_负载= 500 mA。来源:单片电源系统

图10这张照片显示了我_负载= 1000 mA。来源:单片电源系统

图11这张照片显示了我_负载= 1500 mA。来源:单片电源系统

图12这张照片显示了我_负载= 2000 mA。来源:单片电源系统

图13这张照片显示了我_负载= 2500 mA。来源:单片电源系统

关于图13所示的测量，值得注意的是，不建议使用连续的2.5 a电流。

这种直接的温度读数方法简化了设计工程师在温度室中测试定制PCB的过程，在温度室中不能使用热成像相机。它可以实现快速、可靠和准确的结温数据，而不需要将温度传感器固定在器件包上等复杂而经常密集的过程。

这篇文章最初发表于经济日报．

拉尔夫Ohmberger是单片电源系统的应用工程师。

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