了解PWM IC的熱降額方面，以確保最佳系統(tǒng)性能

現(xiàn)代 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用集成 MOSFET 的 PWM 控制器來實(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控制器過載，可以使用熱降額圖來選擇合適的PWM IC。帶有熱降額盒的測試系統(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的限制。因此，可以估計(jì)熱性能。但是，如果沒有對(duì)IC測試環(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，確保測量結(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。氣流可以通過使用電壓控制的變速風(fēng)扇和增加或減少電壓來調(diào)節(jié)。

圖2.盒子開口端的氣流計(jì)測量氣流以校準(zhǔn)后續(xù)的熱測量<

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。這同樣適用于來自被測電路板的電源和任何其他電線。

在實(shí)際進(jìn)行器件測試之前，必須校準(zhǔn)熱降額盒（見圖2）。表1顯示了空測試盒的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，表2顯示了帶有評(píng)估板的測試盒的數(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)測量幾乎均勻的氣流。

盒子準(zhǔn)備好后，將評(píng)估板安裝在測試板上，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，因此很難確定無氣流的熱降額。

圖 3a.當(dāng)測試盒為空時(shí)，三個(gè)氣流測量值提供基線信息。

圖 3b.將評(píng)估板插入測試盒后，重復(fù)進(jìn)行氣流測量，以識(shí)別氣流與空盒的差異。

測試結(jié)果

為了驗(yàn)證測試箱的性能，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測量了兩個(gè)Maxim PWM IC（MAX15035和MAX8686）的熱性能。測試結(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