【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體的熱管理對(duì)于元件運(yùn)行的可靠性和使用壽命至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)實(shí)例介紹的愛普科斯(EPCOS)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻系列，可以幫助客戶可靠地監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體元件的溫度。
功率半導(dǎo)體在電子世界承擔(dān)著重任，其熱管理對(duì)于元件運(yùn)行的可靠性和使用壽命至關(guān)重要。為此，TDK集團(tuán)推出一系列愛普科斯(EPCOS)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻，幫助客戶可靠地監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體元件的溫度。
功率半導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生熱損失，損耗功率范圍下至幾瓦上至千瓦不等。為對(duì)功率半導(dǎo)體進(jìn)行熱管理，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)將功率半導(dǎo)體組件安裝在一個(gè)塊散熱片上，以便于更加高效地進(jìn)行散熱。散熱片導(dǎo)電能力的單位為K/W。該數(shù)值越小，表示熱耗散越大。若已知某一半導(dǎo)體出現(xiàn)最大熱耗散和最高的預(yù)期環(huán)境溫度，再考慮相關(guān)的接觸熱阻，則可判斷所需的散熱片類型。
若單獨(dú)通過對(duì)流產(chǎn)生被動(dòng)式熱耗散，則在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到溫度限值。如果芯片面積較小而功耗較大，則不可能通過此種方法確保能夠進(jìn)行充分的冷卻。此外，散熱片尺寸將導(dǎo)致裝置難以獲得緊湊型結(jié)構(gòu)。唯一的補(bǔ)救方法是采用風(fēng)冷式風(fēng)扇或者水冷式熱交換系統(tǒng)，且運(yùn)行時(shí)無(wú)須額外調(diào)節(jié)。
在大多數(shù)應(yīng)用中，包括計(jì)算機(jī)和筆記本中使用的電源單元和變流器等，功耗均與負(fù)荷掛鉤。為改善能源平衡，防止產(chǎn)生不必要的噪音，我們建議在大多數(shù)應(yīng)用中，僅需在達(dá)到某一特定的溫度限值后才進(jìn)行主動(dòng)式熱耗散。愛普科斯(EPCOS)熱敏電阻擁有眾多型號(hào)，適于在各類應(yīng)用中檢測(cè)溫度限值。在熱敏電阻基礎(chǔ)技術(shù)方面，正溫度系數(shù)(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻之間存在顯著差異，二者的電阻阻溫曲線具有本質(zhì)差異（見圖1）。
圖1：正溫度系數(shù)(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的電阻特性。
在超出某一特定溫度時(shí)，正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻（上圖）的電阻出現(xiàn)急劇升高，故而適合用作溫度限值傳感器，而負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的電阻則呈線性關(guān)系，故而適用于溫度測(cè)量。
正溫度系數(shù)(PTC)傳感器提供可靠的溫度監(jiān)控
正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻具有陡峭的曲線，適用于監(jiān)測(cè)溫度限值，并在達(dá)到某一設(shè)定溫度后啟動(dòng)風(fēng)扇。正溫度系數(shù)(PTC)溫度特性還具有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻能夠進(jìn)行串聯(lián)，在作為溫度傳感器使用的過程中，能夠輕而易舉地監(jiān)測(cè)多個(gè)熱區(qū)，只要某一串聯(lián)的正溫度系數(shù)(PTC)傳感器超過特定的溫度限值，電路將進(jìn)入到高阻狀態(tài)。這一原理同樣適用于筆記本，為便于監(jiān)測(cè)主處理器，圖形處理器和其它發(fā)熱元件均應(yīng)采用貼片的PTC。
正溫度系數(shù)(PTC)傳感器還能夠進(jìn)一步運(yùn)用于三相電機(jī)繞組的熱監(jiān)測(cè)。為此，TDK集團(tuán)推出一系列特殊型號(hào)，這些特殊型號(hào)能夠按照相應(yīng)的要求進(jìn)行組裝，并能輕易地與繞組進(jìn)行集成。圖2表示供限溫監(jiān)測(cè)使用的正溫度系數(shù)(PTC)傳感器。
圖2：愛普科斯(EPCOS)正溫度系數(shù)(PTC)傳感器。圖中分別為：安裝在印刷電路板上的SMT正溫度系數(shù)(PTC)傳感器、與電機(jī)繞組進(jìn)行集成的正溫度系數(shù)(PTC)傳感器、安裝在散熱片上帶接線端子的正溫度系數(shù)(PTC)傳感器。
切換原理：記錄溫度限值
圖3所示為由兩個(gè)串聯(lián)正溫度系數(shù)(PTC)傳感器組成的一個(gè)簡(jiǎn)單電路。TR1與兩個(gè)正溫度系數(shù)(PTC)傳感器組成一個(gè)分壓器，該分壓器能夠提供運(yùn)算放大器的非反相輸入，運(yùn)算放大器則充當(dāng)比較器的角色。在設(shè)置TR1時(shí)，最大值應(yīng)約等于常溫電阻的兩倍。TR1還能夠相應(yīng)地進(jìn)行微調(diào)。在冷態(tài)下，非反相輸入端將出現(xiàn)電位，這一電位相比反相輸入端電位具有較高的負(fù)電位。這意味著比較器輸出端出現(xiàn)負(fù)電壓。若某一個(gè)或兩個(gè)正溫度系數(shù)(PTC)傳感器達(dá)到相應(yīng)的溫度限值，則分壓器的電位將出現(xiàn)變化，比較器將進(jìn)行切換，并發(fā)送一個(gè)正輸出信號(hào)，進(jìn)而切斷晶體管。
圖3為用于監(jiān)測(cè)兩個(gè)熱區(qū)的電路：例如，當(dāng)超過溫度限值后，一臺(tái)風(fēng)扇將自動(dòng)開啟。
圖3：采用正溫度系數(shù)(PTC)傳感器監(jiān)測(cè)溫度的電路。
圖3為用于監(jiān)測(cè)兩個(gè)熱區(qū)的電路： 例如，當(dāng)超過溫度限值后，一臺(tái)風(fēng)扇將自動(dòng)開啟。
一個(gè)傳感器探測(cè)兩個(gè)溫度
除正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻外，負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻也能夠用于溫度監(jiān)測(cè)。需要線性特征的應(yīng)用中，主要采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。
下述實(shí)例將展示負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻如何可靠地進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，在該實(shí)例中，負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻用于監(jiān)測(cè)高性能音頻結(jié)束階段時(shí)的兩個(gè)溫度。為保證盡可能小的外殼尺寸，8個(gè)采用TO-3封裝的輸出晶體管連同發(fā)射極電阻均共同安裝在一個(gè)聯(lián)合冷卻風(fēng)扇裝置上。4個(gè)獨(dú)立的散熱片則采用點(diǎn)對(duì)稱的方式進(jìn)行布置。在每一個(gè)散熱片上均安裝兩根功率晶體管（圖4）。
在本設(shè)計(jì)中，四個(gè)散熱片均必須進(jìn)行熱檢測(cè)。
圖4：含風(fēng)扇/冷卻裝置。
輸出晶體管的熱監(jiān)測(cè)問題需特別關(guān)注，因?yàn)榇祟愝敵鼍w管安裝在4個(gè)散熱片之上，且4個(gè)散熱片均相互絕緣隔熱，確保每個(gè)散熱片均單獨(dú)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這樣做的原因在于，即使晶體管的尺寸足夠大，公差也會(huì)造成負(fù)荷分布不均勻的情況。在下述兩個(gè)階段都必須進(jìn)行熱監(jiān)測(cè)：當(dāng)一個(gè)或多個(gè)散熱片到達(dá)85℃時(shí)，風(fēng)扇必須自動(dòng)開啟，而當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí)，必須進(jìn)行甩負(fù)荷。
通過一個(gè)溫度傳感器就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)這一雙重功能。愛普科斯(EPCOS)K45或M703系列的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)傳感器應(yīng)運(yùn)而生。
如圖5所示， 得益于接線片( 左圖) 或螺栓( 右圖) ， 此類愛普科斯(EPCOS)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)傳感器能 夠?yàn)樯崞峁┮粋€(gè)較好的熱觸點(diǎn)。
圖5：愛普科斯(EPCOS)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)傳感器。
如圖5所示，得益于接線片(左圖)或螺栓(右圖) ，此類愛普科斯(EPCOS)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)傳感器能夠?yàn)樯崞峁┮粋€(gè)較好的熱觸點(diǎn)。
4個(gè)散熱器(B57045K0103K000)均選用R為10k?的愛普科斯(EPCOS)K45系列熱敏電阻。根據(jù)數(shù)據(jù)表格的規(guī)定，在85℃時(shí)，R/R比值為0.089928，這將產(chǎn)生一個(gè)900?左右的電阻。而在100℃時(shí)，所產(chǎn)生的電阻約為500?。為進(jìn)行雙重溫度檢測(cè)，需采用一個(gè)帶兩個(gè)比較器的電路。實(shí)際完成的完整電路請(qǐng)參見圖6。
圖6：音頻結(jié)束階段的雙重溫度保護(hù)。
2個(gè)開關(guān)閾值的參考值將通過2個(gè)微調(diào)器，即R7和R8（分別為2.2k?）進(jìn)行設(shè)置。如上所述，兩個(gè)微調(diào)器將分別產(chǎn)生900?或550?的電阻。至于8個(gè)所需的比較器（U1A-U1D以及U2A-U2D），則采用經(jīng)濟(jì)型LM324放大器。
在滿負(fù)荷跳線模式下進(jìn)行的一個(gè)持續(xù)數(shù)小時(shí)的測(cè)試表明，風(fēng)扇能夠在85℃時(shí)可靠地進(jìn)行開啟。由于系統(tǒng)具有相對(duì)較低的熱量期限，因此無(wú)需采用常用的滯回比較器電路。為測(cè)試高溫環(huán)境下的絕緣情況，在風(fēng)扇斷開后立即對(duì)結(jié)束階段展開檢測(cè)，檢測(cè)到的安全斷開溫度為103℃。通過對(duì)R8進(jìn)行微調(diào)，能夠?qū)⑦@一數(shù)值精確地調(diào)整為100℃。
由于愛普科斯(EPCOS)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)傳感器具有各種型號(hào)，同時(shí)兼具不同的特性、設(shè)計(jì)和固定方式選項(xiàng)，因此能夠在幾乎所有可能的應(yīng)用中可靠地完成熱管理工作。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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