直流开关电源结温的直接测量法

Ralf Ohmberger

每月为您发送最具参考价值的行业文章

我们会保障您的隐私

简介

设计人员经常需要测量直流开关电源的结温。这在温度试验箱中非常难于实现，因为热像仪不仅数据不准而且可能在高温环境下损坏，而外部温度传感器又很难固定在小尺寸封装上。本文演示了一种利用二极管电压与温度之间关系的直流电压读取方法，它使用电源正常指示 (PG) 引脚上的MOSFET 体二极管直接读出温度，为工程师提供了一种测量IC结温的实用方法。

背景信息

在最大指定负载和环境温度下测量结温，对许多应用都很重要。本文将以带PG体二极管的MPS的MPQ4572为例进行说明，图2显示了其DC模块框图。

图 1：MPQ4572 中的 PG N沟道 MOSFET 体二极管

MPQ4572是一款全集成定频同步降压变换器，它采用峰值电流控制实现高达 2A 的连续输出电流。该器件输入电压范围为4.5V 至 60V，可以适应各种降压应用。我们通过 PG 引脚上的体二极管（MOSFET 的一部分）正向施加 1mA 电流源（见图 1）。

二极管电压与温度之间的关系曲线可以在EVQ4572-QB-00A评估板上测量得到（见图 2），也可以直接通过定制板测量得到。二极管的曲线特性取决于温度，而不是 PCB 板的尺寸。

图2: EVQ4572-QB-00A 4层评估板（8.9cmx8.9cm）

利用电源正常指示(PG)体二极管测量结温

电源正常指示 (PG) 引脚连接带体二极管的内部 N 沟道 MOSFET。要准确测量结温，必须先校准正向二极管的电压和温度。请按照以下步骤进行校准:

从 PG 引脚上断开任何电阻、微控制器或其他部件。
将一个温度传感器（例如小型 4 线PT1000）粘在要测量的器件封装顶部。另一种方法是在被测器件附近焊接一个浮动热电偶（建议将此热电偶焊接到 GND）。将温度传感器固定到封装上是一项很费力的工作，因此请使用尽可能小的传感器。温度传感器也不应作为小尺寸封装的散热器。使用导热胶将 PT1000 温度传感器固定在封装上，或将热电偶直接焊接在具有 EMC 静电势的电路板部分（例如 GND 或 VIN）（参见图 3）。

图3: 将热电偶焊接在PCB上

将内置二极管测试功能和1mA电流源的精密万用表连到PG引脚上（见图1和图5）。也可以采用更小的电流，但系统在校准和测量时必须具有相同的电流。
在温度试验箱中测量正向二极管电压与结温的关系。
当器件由低于所需输入电压 (V_IN) 的电源电压供电时，测量二极管电压。确定哪些VIN值可以有效校准，因为 V_IN会影响效率，因此也会影响器件温度。请勿在 DC/DC 变换器输出上连接负载。
用评估板或定制 PCB 板进行测量。
关断器件。
启动温度试验箱（如设置为25°C），并确保外部温度传感器显示稳定的读数。
短时间启动器件，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，因为接合处的功耗很低（只有几毫瓦）。如果可能，请使用高级异步模式 (AAM)，因为该模式在低负载条件下具有较低的静态电流。
关断器件
将温度试验箱设置为下一个选定的温度，让 PCB 温度稳定大约 20 至30 分钟，具体时长取决于 PCB 的热容量和尺寸。
短时间启动器件，读取万用表上的电压。
再次关断器件。继续选择下一个温度试验箱温度。
测量最大所需负载和最大环境温度下的正向二极管电压。

测量 PG 正向电压二极管时，请记住以下几点：

校准电压与结温的斜率几乎是线性的。为获得最高准确度，请使用更多测量点和多项式拟合函数。检查校准的可重复性。
相同类型的器件具有相似的斜率，但通常偏移量不同。
类似的器件通常斜率略有不同。
可能会产生一些副作用，如V_OUT产生微小变化。这种情况不应视为故障，因为接点内部的耦合电流也会产生此类影响。
这种测量方法的主要优点是正向二极管电压可用于计算任何负载下的结温。
不需要温度传感器。
请注意，并非每个部件都可以使用 PG 引脚来测量电流。请联系零件制造商获取产品指南。

测得的校准曲线

图 4 显示了具有线性拟合函数的一阶 PG 正向二极管电压与结温之间的关系曲线图。 PG 二极管由外部 1mA 电流源驱动，如图 1 所示。

图 4：EVQ4572-QB-00A 上测得的校准曲线

通过测量二极管电压，再利用公式（1）可以计算出结温：

$$voltage(T_J)=-0.8068 \times T_J \times \frac{mV}{°C}+592.88mV $$

将体二极管读数与热像仪读数进行比较

表 1 直接比较了结温读数与视觉热像仪读数。环境温度通过PT1000铂电阻（28.0°C 时阻值为28.0°C)测量。

表 1：PG 正向二极管温度读数与热像仪数据

由表 1 可以看出，测得的结温与封装PG 二极管部分得到的热像仪数据差别不大。热像仪显示的温度稍低，这是由于结合点和封装顶面之间的塑封料热阻引起的。将热像仪的发射率调整到 0.95会比较适合封装的塑封料。组件之间的结温是不同的（例如，芯片内部的 PG 部分要比 MOSFET 部分温度低）。图 5 为 PG 二极管部分和 MOSFET 部分的示意图。

图5: MPQ4572封装内的MOSFET部分和PG部分

如图5和图10所示，小信号部分和功率MOSFET部分位于不同的位置。PG 正向电压二极管测量 PG 位置的结温，因此必须将二极管温度与该位置的热像仪温度进行比较。由于 MOSFET 部分的温度相对高几度，因此必须将这部分小偏移量叠加到最大结温上。图 6至图13 显示了与表 1 对应的热像仪测量值。这些测量值均采用EVQ4572-QB-00A测得。