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AC/DC

評估絕緣型返馳式轉換器的性能和確認重點

重要確認重點:測量溫度和損耗

在評價絕緣型返馳式轉換器的性能時,除了規格外,還有其他應該確認的「重要確認重點」。本節將說明「測量溫度和損耗」。

本節將說明如何測量溫度、損耗和計算方法,最主要的目的在於確認即使處於運作最大溫度條件之下,電源IC接合處(junction)的溫度Tj也不會超過最大額定值Tjmax。絕對不可以超過最大額定值,因此也不會出現超過最大額定值的狀況。若超過最大額定值,元件壽命將明顯縮短,甚至可能因此而受損。此外,除了不超過額定值外,還要從信賴性的角度來了解實際Tj值,並進行降額。

由於損耗=發熱,所以也要同時確認損耗狀況。重點為從容許損耗的觀點出發,確認實際損耗是否低於容許損耗,不過最後還是要回到原點,確認Tj值到底為多少。只要掌握造成損耗的原因,就可以視情況改善損耗和降低發熱。當然,這部分亦和改善效率有關。

【確認條件】
  • 輸入電壓:最大
  • 負載電流:最大
  • 環境:溫度條件的上限
【確認重點】
  • 電源IC的Tj是否未超過最大額定值
  • 損耗是否低於資料表所示之容許損耗

測量溫度

此次範例所使用的電源IC為內建功率電晶體型,測量電源用IC接合處的溫度。另外,外裝功率電晶體時,首要發熱源即為外裝的功率電晶體,但必須注意控制器IC功率電晶體驅動閘極用的電流有可能偏大。

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另外,雖然必須知道接合處的溫度Tj,但IC晶片在封裝過程中,大多是利用樹脂密封,因此無法直接測量。所以根據周圍環境溫Ta和外殼(封裝)溫度Tc的實測值、熱阻,計算出Tj。右圖為熱阻和溫度的關係。熱阻θja是接合處(晶片)到空氣中的全熱阻,Tj為Ta+自我發熱,發熱為熱阻×功率,在此基本設定之下成立下方的公式,並經由該公式計算出Tj。

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熱阻可以參照IC製造廠商提供的資料。資料表等未記載時,請試著詢問製造廠商。

在實際測量Ta或Tc時,才發現原來測量Ta其實並不容易。測量時,會利用熱電偶測量周遭空氣的溫度,但是發熱體附近和距離發熱體遠的場所,兩者溫度根本不同。而且,實際測量的位置可能位在內部,或是啟動冷卻風扇讓空氣流動等,這樣一來,到底哪個條件下測量到的空氣溫度才是Ta呢?雖然可以利用經驗法則解決,但依舊是一個困難的問題。

對於上述情況,近年來測量Tc時,普遍會使用熱影像技術和輻射溫度計等裝置,已經比以往簡單許多。當然,也可以使用熱電偶進行測量,但如此一來,熱電偶必須接觸到封裝,會因為熱電偶引發放熱,難以正確測量到正確數值。另外,測量時千萬不要利用膠帶,將熱電偶前端黏貼在封裝上面。根據過往測量經驗,以使用紅外線來測量的非接觸式溫度計最為適當。

另外還有一點要注意,就是計算時,要使用封裝哪一處的溫度作為Tc。我們只要根據上面的封裝圖,就能夠輕易知道答案,但功率電晶體正上方處和不太會消耗功率的控制晶片上方,兩者的Tc是不同的。基本上封裝表面溫度使用最高的數值。最代表以熱影像技術最為便利。至於熱電偶方面,雖然還有其他更加細微的條件要求,但一般會在封裝中央處進行測量。

測量損耗

取得熱阻、Tc或Ta的數值後,若要套用上述公式進行計算,還必須先取得P數值,也就是消耗功率=損耗(功率)。損耗直接以電壓×電流來算出。例如LDO線性穩壓器中,(輸入電壓-輸出電壓)×(輸出電流+自我消耗電流)即是損耗的功率,但切換式穩壓器是利用切換,轉換出所需要的功率,因此必須先算出平均消耗功率,而計算方式有些複雜。以下為一般的計算公式。

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基本上平均功率P算法為電流和電壓的乘積乘以時間後,再除以時間T。接著套用在實際切換上。1個周期大致上為關閉→開啟(T1~T2)、開啟期間(T2~T3)、開啟→關閉(T3~T4)、關閉期間(T4~T5)一共4個狀態,如同下圖所示,分成4個區間進行計算。實際進行積分計算的時候,將使用積分公式。

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在計算之前,必須先取得能夠看出上述4個區間的時間、電壓/電流的波形資料,尤其是能夠充分了解波形移動時向上升/向下降的時間,與波形穩定不變時電壓/電流關係為何的波形(參照右上波形資料)。之後,就可以將讀取到的數值套用至公式內,進行計算。

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彙整

將經由測量和計算所取得的P、損耗(消耗功率),套用在上述的Tj計算公式內,算出Tj的數值。Tj的最大額定值為150℃,因此確認Tj是否低於該最大額定值。

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經由右側圖表(截取自BM2P013的資料表,為裝上PCB : 74.2mm×74.2mm×1.6mm 雙層環氧樹脂玻璃纖維基板時的數值)取得容許損耗。IC的運作溫度範圍為Ta = 105℃,此時可承受約750mW。電源的運作溫度達最大值時,就必須取得IC附近的Ta數值。不論是哪個溫度條件,損耗低於容許損耗都是最低限度的條件。

本節雖然以有條理地進行說明為中心,但羅姆半導體的網站上,也都提供了實際溫度、損耗的計算方法和計算範例,請務必一併參照。

重點:

・元件(晶片)接合處溫度(Tj)位於額定值內,除了信賴性外,也和安全息息相關,是必須確認的項目之一。

・溫度可利用實測和熱阻的概念取得。

・損耗經由觀測切換時的波形和數學公式獲得。

・容許損耗可以參照資料表的圖片,但最後仍須依照Tj值。


隔離型返馳轉換器的性能評估和重點