【導(dǎo)讀】設(shè)計人員經(jīng)常需要測量直流開關(guān)電源的結(jié)溫。這在溫度試驗箱中非常難于實現(xiàn)，因為熱像儀不僅數(shù)據(jù)不準(zhǔn)而且可能在高溫環(huán)境下?lián)p壞，而外部溫度傳感器又很難固定在小尺寸封裝上。本文演示了一種利用二極管電壓與溫度之間關(guān)系的直流電壓讀取方法，它使用電源正常指示 (PG) 引腳上的MOSFET 體二極管直接讀出溫度，為工程師提供了一種測量IC結(jié)溫的實用方法。
背景信息
在最大指定負(fù)載和環(huán)境溫度下測量結(jié)溫，對許多應(yīng)用都很重要。本文將以帶PG體二極管的MPS的MPQ4572為例進(jìn)行說明，圖2顯示了其DC模塊框圖。
圖 1：MPQ4572 中的 PG N溝道 MOSFET 體二極管
MPQ4572是一款全集成定頻同步降壓變換器，它采用峰值電流控制實現(xiàn)高達(dá) 2A 的連續(xù)輸出電流。該器件輸入電壓范圍為4.5V 至 60V，可以適應(yīng)各種降壓應(yīng)用。我們通過 PG 引腳上的體二極管（MOSFET 的一部分）正向施加 1mA 電流源（見圖 1）。
二極管電壓與溫度之間的關(guān)系曲線可以在EVQ4572-QB-00A評估板上測量得到（見圖 2），也可以直接通過定制板測量得到。二極管的曲線特性取決于溫度，而不是 PCB 板的尺寸。
圖2: EVQ4572-QB-00A 4層評估板（8.9cmx8.9cm）
利用電源正常指示(PG)體二極管測量結(jié)溫
電源正常指示 (PG) 引腳連接帶體二極管的內(nèi)部 N 溝道 MOSFET。要準(zhǔn)確測量結(jié)溫，必須先校準(zhǔn)正向二極管的電壓和溫度。請按照以下步驟進(jìn)行校準(zhǔn):
1. 從 PG 引腳上斷開任何電阻、微控制器或其他部件。
2. 將一個溫度傳感器（例如小型 4 線PT1000）粘在要測量的器件封裝頂部。另一種方法是在被測器件附近焊接一個浮動熱電偶（建議將此熱電偶焊接到 GND）。將溫度傳感器固定到封裝上是一項很費力的工作，因此請使用盡可能小的傳感器。溫度傳感器也不應(yīng)作為小尺寸封裝的散熱器。使用導(dǎo)熱膠將 PT1000 溫度傳感器固定在封裝上，或?qū)犭娕贾苯雍附釉诰哂?EMC 靜電勢的電路板部分（例如 GND 或 VIN）（參見圖 3）。
圖3: 將熱電偶焊接在PCB上
1. 將內(nèi)置二極管測試功能和1mA電流源的精密萬用表連到PG引腳上（見圖1和圖5）。 也可以采用更小的電流，但系統(tǒng)在校準(zhǔn)和測量時必須具有相同的電流。
2. 在溫度試驗箱中測量正向二極管電壓與結(jié)溫的關(guān)系。
3. 當(dāng)器件由低于所需輸入電壓 (VIN) 的電源電壓供電時，測量二極管電壓。確定哪些VIN值可以有效校準(zhǔn)，因為 VIN會影響效率，因此也會影響器件溫度。請勿在 DC/DC 變換器輸出上連接負(fù)載。
4. 用評估板或定制 PCB 板進(jìn)行測量。
5. 關(guān)斷器件。
6. 啟動溫度試驗箱（如設(shè)置為25°C），并確保外部溫度傳感器顯示穩(wěn)定的讀數(shù)。
7. 短時間啟動器件，讀取萬用表上的電壓。在沒有負(fù)載的情況下，結(jié)溫不應(yīng)顯著升高，因為接合處的功耗很低（只有幾毫瓦）。 如果可能，請使用高級異步模式 (AAM)，因為該模式在低負(fù)載條件下具有較低的靜態(tài)電流。
8. 關(guān)斷器件
9. 將溫度試驗箱設(shè)置為下一個選定的溫度，讓 PCB 溫度穩(wěn)定大約 20 至30 分鐘，具體時長取決于 PCB 的熱容量和尺寸。
10. 短時間啟動器件，讀取萬用表上的電壓。
11. 再次關(guān)斷器件。繼續(xù)選擇下一個溫度試驗箱溫度。
12. 測量最大所需負(fù)載和最大環(huán)境溫度下的正向二極管電壓。
測量 PG 正向電壓二極管時，請記住以下幾點：
● 校準(zhǔn)電壓與結(jié)溫的斜率幾乎是線性的。為獲得最高準(zhǔn)確度，請使用更多測量點和多項式擬合函數(shù)。檢查校準(zhǔn)的可重復(fù)性。
● 相同類型的器件具有相似的斜率，但通常偏移量不同。
● 類似的器件通常斜率略有不同。
● 可能會產(chǎn)生一些副作用，如VOUT產(chǎn)生微小變化。這種情況不應(yīng)視為故障，因為接點內(nèi)部的耦合電流也會產(chǎn)生此類影響。
● 這種測量方法的主要優(yōu)點是正向二極管電壓可用于計算任何負(fù)載下的結(jié)溫。
● 不需要溫度傳感器。
● 請注意，并非每個部件都可以使用 PG 引腳來測量電流。請聯(lián)系零件制造商獲取產(chǎn)品指南。
測得的校準(zhǔn)曲線
圖 4 顯示了具有線性擬合函數(shù)的一階 PG 正向二極管電壓與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線圖。 PG 二極管由外部 1mA 電流源驅(qū)動，如圖 1 所示。
圖 4：EVQ4572-QB-00A 上測得的校準(zhǔn)曲線
通過測量二極管電壓，再利用公式（1）可以計算出結(jié)溫：
將體二極管讀數(shù)與熱像儀讀數(shù)進(jìn)行比較 表 1 直接比較了結(jié)溫讀數(shù)與視覺熱像儀讀數(shù)。環(huán)境溫度通過PT1000鉑電阻（28.0°C 時阻值為28.0°C)測量。
表 1：PG 正向二極管溫度讀數(shù)與熱像儀數(shù)據(jù)
由表 1 可以看出，測得的結(jié)溫與封裝PG 二極管部分得到的熱像儀數(shù)據(jù)差別不大。熱像儀顯示的溫度稍低，這是由于結(jié)合點和封裝頂面之間的塑封料熱阻引起的。將熱像儀的發(fā)射率調(diào)整到 0.95會比較適合封裝的塑封料。組件之間的結(jié)溫是不同的（例如，芯片內(nèi)部的 PG 部分要比 MOSFET 部分溫度低）。 圖 5 為 PG 二極管部分和 MOSFET 部分的示意圖。
圖5: MPQ4572封裝內(nèi)的MOSFET部分和PG部分
如圖5和圖10所示，小信號部分和功率MOSFET部分位于不同的位置。PG 正向電壓二極管測量 PG 位置的結(jié)溫，因此必須將二極管溫度與該位置的熱像儀溫度進(jìn)行比較。由于 MOSFET 部分的溫度相對高幾度，因此必須將這部分小偏移量疊加到最大結(jié)溫上。圖 6至圖13 顯示了與表 1 對應(yīng)的熱像儀測量值。這些測量值均采用EVQ4572-QB-00A測得。
圖 6：ILOAD = 0mA 時的測量值
圖 7：ILOAD = 10mA 時的測量值
圖 8：ILOAD = 100mA 時的測量值
圖 9：ILOAD = 500mA 時的測量值
圖 10：ILOAD = 1000mA 時的測量值
圖 11：ILOAD = 1500mA 時的測量值
圖 12：ILOAD = 2000mA 時的測量值
圖 13：ILOAD = 2000mA (1)時的測量值
注意：
1) 2) 不推薦連續(xù) 2.5A 電流。 結(jié)論 對系統(tǒng)安全和失效模式與影響分析（FMEA）來說，了解系統(tǒng)結(jié)溫是一項重要且基本的要求。 在不能使用熱像儀的情況下，這種直接溫度讀出法簡化了設(shè)計工程師在溫度試驗箱中測試定制 PCB 的過程。工程師無需進(jìn)行復(fù)雜且通常很耗時的操作，例如在器件封裝上固定溫度傳感器，即可獲得快速、可靠和準(zhǔn)確的結(jié)溫數(shù)據(jù)。
來源：MPS
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