Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 24 июля
 
 


Это интересно!

Новости

Россиян перестанут сажать за GPS-трекеры и якобы шпионские фотокамеры


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Улучшение характеристик усилителей класса D

Прогресс не стоит на месте, и схемы постоянно совершенствуются. Сегодня мы продолжим тему усилителей класса D и остановимся на способах улучшения их качества.

Некоторые методы ослабления шумов и электромагнитных помех

В статье подробно рассматриваются причины возникновения шумов и помех, приводятся рекомендации по их уменьшению. Указываются коэффициенты ослабления шумов для различных методов экранирования и скрутки. Приведены рекомендации и указаны стандарты по прокладке кабелей.

Электромагнитные помехи

В статье рассмотрены кондуктивные электромагнитные помехи и радио­помехи, возникающие при работе электронного оборудования. Описаны механизмы их возникновения. В некоторых случаях приведены расчетные соотношения, позволяющие определить параметры цепей защиты от помех. Даны практические рекомендации по уменьшению электромагнитных помех.

 

7 декабря

Тепловой расчет устройств силовой электроники. Часть 1

В первой части статьи рассматриваются рабочие характеристики повышающего преобразователя для питания сильноточных белых светодиодов и стандартного силового дросселя в условиях высоких температур. На этих примерах подробно обсуждаются методы расчета и измерения теплового сопротивления и теплоемкости подобных устройств относительно окружающего воздуха.



И

звестно, что даже у высокоэффективных цепей управления питанием имеются свои ограничения: при большей выходной мощности бóльшая мощность рассеивается на источнике тока и соответствующих внешних компонентах. В этих условиях требуется правильно выбрать компоненты и произвести оптимальное проектирование печатной платы, чтобы избежать превышения предельной рабочей температуры кристалла и чрезмерного разогрева компонентов.

Импульсный источник питания и силовой дроссель

Рассмотрим рабочие характеристики импульсного источника питания и стандартного силового дросселя в условиях высоких температур.
Избыточный нагрев от внешней среды или в результате рассеивания мощности внутри самой системы может изменить характеристики электронных компонентов, вызвать остановку и даже сбой в работе системы. Устройства по управлению питанием довольно-таки часто сталкиваются с этими проблемами, т.к. рассеивание мощности между входом системы и нагрузкой приводит к нагреву устройства. Это тепло следует отводить от системы либо в сторону платы и расположенных поблизости компонентов, либо в окружающую среду. Даже при использовании импульсных источников питания с традиционно высоким КПД при проектировании печатной платы и выборе внешних компонентов следует учитывать температурные условия.
Разрабатывая цепь управления питанием, необходимо еще до температурного расчета понять в целом, как происходит теплопередача в системе. Известны три механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. В электронных системах тепло от печатных плат, главным образом, передается за счет явления теплопроводности и в меньшей степени — путем конвекции. 
Следующая формула описывает количество переданного тепла за счет явления теплопроводности:
H = K∙S∙(Tвыс– Tниз)/d, где H — скорость передачи тепла, Дж/с; K — теплопроводность материала; S — площадь тела; (Tвыс – Tниз) — разница температур; d — расстояние. Уравнение для скорости переданного тепла можно распространить на электрическую цепь по электротепловой аналогии, в которой источником тепла Н выступает источник тока; разности температур между устройствами соответствует падение напряжения, а обратная величина теплопроводности (K∙S)/d становится термосопротивлением, выраженным в °C/Вт.
Условное обозначение термосопротивления — RA-B, где А и В — два устройства, между которыми распространяется тепло. По аналогии уравнение теплового потока для электрической цепи выглядит следующим образом: P = (Tвыс – Tниз)/Rвыс-низ.
Эту аналогию можно распространить и на описание другого теплового параметра устройства — теплоемкости. Если тепловое сопротивление уподобить электрическому сопротивлению, то теплоемкости (CT, Дж/°C) можно сопоставить электрическую емкость.
Таким образом, полное тепловое сопротивление (ZT) определяется параллельно соединенными теплоемкостью и тепловым сопротивлением. Упрощенная RC-модель передачи тепла за счет явления теплопроводности показана на рисунке 1.

Рис. 1. Упрощенная модель полного теплового сопротивления

Источник рассеиваемой мощности выступает в роли источника тока, а полное тепловое сопротивление представляет собой параллельно включенные CT и RT. В электрических цепях каждый тепловой интерфейс характеризуется полным тепловым сопротивлением, зависящим от материала, геометрии устройства, его размеров и положения. 
В полупроводниковом устройстве суммарное тепловое сопротивление между кристаллом и окружающим воздухом, или ZК-В, представляет собой сумму тепловых сопротивлений каждого отдельного материала, входящего в состав конструкции.
Рассмотрим дискретный МОП-транзистор, установленный на печатной плате. Полное тепловое сопротивление в установившемся режиме (или тепловое сопротивление RК-В) является суммой тепловых сопротивлений между кристаллом и корпусом устройства (RК-К), корпусом и теплоотводом (RК-Т) и теплоотводом и воздухом (RК-В): RК-В = RК-К + RК-Т + RТ-В. Кроме того, следует учесть и возможный параллельный тракт распространения тепла от кристалла МОП-транзистора через корпус на печатную плату и далее в воздушную среду.
Обычно информация о тепловой характеристике перехода кристалл-корпус предоставляется производителем полупроводников. С другой стороны, значения RК-Т и RТ-В, главным образом, зависят от свойств теплоотвода и печатной платы. Множество факторов влияет на значения тепловых сопротивлений RК-В или RК-Т, в т.ч. количество слоев ПП, количество сквозных отверстий, ведущих на дополнительные уровни, близость к другим устройствам и скорость движения воздушного потока.
Зачастую значение RК-В приводится в списке технического описания устройства, но это значение измеряется в определенных условиях тестирования платы и годится для сравнения между устройствами только в том случае, если измерения выполняются в равных условиях. Тепловое сопротивление RК-В является важным параметром при выборе электронных компонентов, т.к. оно является мерой того, насколько большой может оказаться рассеиваемая устройством мощность при определенном состоянии окружающей среды и компоновки ПП. Другими словами, это значение позволяет оценить рабочую температуру кристалла на основе состояния внешней среды и рассеиваемой мощности.

Рассеивание тепла

В качестве примера теплового расчета для цепи управления энергопотреблением рассмотрим схему LM3554 (см. рис. 2).

Рис. 2. Тестовая схема драйвера флэш-светодиодов LM3554 компании National Semiconductor

Это устройство является индуктивным повышающим преобразователем для высокомощных флэш-светодиодов, используемых в приложениях для мобильных телефонов. ИС LM3554 — хорошее средство для тестирования, т.к. оно имеет малые размеры (1,6×1,6×0,6 мм) и обеспечивает выходную мощность до 6 Вт (при токе 1,2 А и напряжении светодиодов 5 В).
Даже при 85-% КПД относительно высокая выходная мощность и миниатюрный SMD-корпус с 16-ю столбиковыми выводами делают это устройство приемлемым для работы при высоких температурах. В первую очередь эффекты рассеивания тепла от микросхемы LM3554 приводят к повышению сопротивления ее ключей в открытом состоянии и изменению порогов срабатывания. В случаях, когда температура значительно повышается, может сработать тепловая защита, и устройство отключится.
Знание точного значения RК-В позволяет определить температуру кристалла устройства, работающего с заданной мощностью, и обеспечить надежное и предсказуемое функционирование цепи в соответствии с требованиями приложения. Рассмотрим вероятный сценарий, в котором входное напряжение устройства и напряжение светодиода составляет 3,6 В, а протекающий через светодиод ток равен 1,2 А. В этом случае преобразователь повышает выходное напряжение на 300 мВ относительно VВх. Эта разность в 300 мВ между двумя параллельными источниками тока позволяет регулировать ток светодиода.
Общее падение мощности на устройстве является суммой падения мощности на синхронных p-, n-МОП-ключах и двух источниках тока. Падение мощности на p- и n-МОП-ключах происходит на резистивных компонентах, поэтому для точной оценки мощности необходимо использовать среднеквадратичное значение тока.
Этот ток представляет собой среднеквадратичный ток дросселя, умноженный на коэффициент заполнения, когда замкнуты ключи p- и n-МОП. При известном КПД преобразователя коэффициент заполнения D = VВх∙КПД/VВых.
В нашем случае VВых = Vсвет + 300 мВ, а КПД = 90%. Таким образом, коэффициент заполнения ключа p-МОП равен (1 – D) = 83%, а n-МОП — 17%. Уравнение для вычисления среднеквадратичного значения тока дросселя:

где Iср.др.DC — среднее значение тока дросселя, определяемое по формуле Iср.др.DC = Iсвет/(1 — D); ∆Iдр. — размах тока дросселя, приблизительно равный в данном случае 140 мА.
Потеря мощности для ключа n-МОП (RDS(ON) = 125 мОм) равна 45 мВт, а для p-МОП (RDS(ON) = 152 мОм) — 265 мВт. Кроме того, на источниках тока падение мощности составляет 300 мВ ∙ 1,2 А = 360 мВт. Таким образом, суммарное рассеивание мощности — 668 мВт.
В техническом описании значение RК-В равно 60°C/Вт. Оно было получено в результате тестового испытания JEDEC для четырехслойной платы в соответствии со стандартом JESD51-7. Используя это значение RК-В, температура кристалла при TВ = 50°C предположительно составляет 83,4°C. Это значение не является критичным для устройства, т.к. оно ниже порога срабатывания тепловой защиты при 150°C и ниже 125°C — максимальной рабочей температуры кристалла, указанной в техническом описании на LM3554.
В другом сценарии для LM3554 можно задать стабилизированное выходное напряжение 5 В во время одного и того же светового импульса. Разность между номинальным и максимально допустимым значением напряжения для источника тока с 300 мВ увеличивается до 5 В – 3,6 В = 1,4 В, в результате чего мощность рассеивания для него составит 1,68 Вт.
Считая, что КПД устройства по-прежнему равен 90%, напряжение — 5 В при токе 1,2 А, а коэффициент заполнения 35,2%, постоянный ток дросселя составляет 1,85 А, а ∆I— 288 мА. Мощность рассеивания на n-МОП в данном случае равна 151 мВт, а на p-МОП — 338 мВт. При суммарном рассеивании внутренней мощности 2,169 Вт оценочная температура кристалла (при TВ = 50°C) равна 180°C, что на 30°C выше порога срабатывания тепловой защиты и на 55°C выше максимальной рабочей температуры кристалла.
В действительности, это устройство установят не на тестовую плату 4LJEDEC, а на какую-то другую плату с другими расположенными поблизости компонентами и с иным числом сквозных отверстий, ведущих на нижние слои. Все эти переменные параметры, помимо многих других, существенно влияют на значение RК-В, что, в свою очередь, приводит к снижению точности вычислений температуры кристалла.

Измерение полного теплового сопротивления

Для реальной цепи требуется знать точное значение RК-В. Среди различных методов его измерения используется отключение системы при достижении теплового порога, установленного на 150°C. 
При измерении RК-В мы исходим из того, что величина рассеиваемой мощности (Ррасс) преобразователя LM3554 известна, а температура окружающего воздуха медленно растет до тех пор, пока устройство не отключится. Устройство снабжено флажковым индикатором, порог срабатывания которого устанавливается с помощью I2C-совместимого интерфейса. Индикатор возвращается в состояние «1» при достижении порога срабатывания тепловой защиты. В этом методе значение RК-В рассчитывается по формуле RК-В = (150°С — ТВ)/Ррасс.
Во втором методе измеряется зависимость от температуры значения VF одного из диодов защиты от электростатического разряда (ЗЭР). Эта процедура немного сложнее предыдущей, но с ее помощью достигается более точный результат, т.к. устанавливается значение Vвсп во всем температурном диапазоне. Диоды для защиты от электростатического разряда с заземленными анодами имеются на всех выводах большинства полупроводниковых устройств. При тестировании LM3554 измеряется малый (<10 мA) ток на выводе LEDI/NTC в зависимости от меняющейся температуры.
Максимально допустимое напряжение на каждом выводе составляет –0,3 В, но это значение определяется напряжением Vвсп диода ЗЭР при максимально допустимой температуре кристалла 150°C. Если ограничить ток величиной менее 10 мА, устройство не подвергнется саморазогреву и риску разрушения.
Результаты измерения на этом выводе описываются линейной характеристикой в диапазоне 25…125°C с углом наклона около 1,3 мВ/°C. Таким образом, можно использовать это устройство при известной мощности рассеивания, измеряя Vвсп отдельного диода. Когда диод достигает устойчивого состояния, RК-В = (Vвсп@ТВ — Vвсп@УР)/1,3 мВ/°C∙Ррасс, где Vвсп@ТВ — напряжение на диоде Vвсп при TК = TВ, а Vвсп@УР — напряжение Vвсп на диоде ЗЭР в установившемся температурном режиме при рассеиваемой мощности Ррасс
Наконец, в третьем методе используется зависимость сопротивления в открытом состоянии МОП-транзистора от температуры. В этом методе задействуется внутренний ключ p-МОП, пока устройство работает в режиме пропускания. В данном режиме устройство прекращает переключаться и включает синхронный ключ p-МОП. Так происходит, если VВх начинает превышать VВых на 150 мВ. В этот момент преобразователь прекращает повышать VВых, и p-МОП пропускает VВх непосредственно на выход.
Из-за того, что RDS(ON) МОП-транзистора в небольшой степени зависит от тока, необходимо измерять сопротивление ключа p-МОП при токе, значение которого приближается к величине тока вспышки. Проблема с большими испытательными токами заключается в том, что они разогревают устройство. От этого эффекта можно избавиться, установив продолжительность времени между вспышками минимум на 32 мс и измеряя на осциллографе падение напряжения на p-МОП. При токе вспышки величиной 1,2 А угол наклона кривой составляет 0,42 мОм/°C в диапазоне 25…125°C. Следует заметить, что при этом p-МОП питается от вывода VВых, и при VВых = 5 В сопротивление в открытом состоянии меньше, чем при VВых = 3,9 В.
Результаты применения этих трех методов при мощности Ррасс = 1,67 Вт следующие: в первом методе RК-В = 45°C/Вт; во втором этот параметр равен 42°C/Вт; в третьем — 48°C/Вт. На рисунке 3 показаны кривые RDS(ON) ключа p-МОП и Vвсп диода ЗЭР на выводе LEDI/NTC при тестовом токе 0,865 А через флэш-светодиод.

Рис. 3. Кривые RDS(ON) ключа p-МОП и Vвсп диода ЗЭР на выводе LEDI/NTC преобразователя LM3554 при вспышке

VВх этого устройства составило 5 В, а время между импульсами — 1,024 мс; Vсвет равнялось 3,18 В, что заставило устройство перейти в режим пропускания. В этом режиме рассеивание мощности целиком связано с ключом p-МОП и источником тока. В устойчивом режиме Vвсп диода ЗЭР составило –622 мВ, что соответствовало температуре кристалла в 95,2°C при температуре окружающего воздуха 25°C. В установившемся режиме измеренное значение RDS(ON) ключа p-МОП составило 154 мОм, что соответствовало температуре кристалла 105°C.
На рисунке 3 также проиллюстрировано поведение кривой теплоемкости преобразователя LM3554. Зависимость Vвсп и Rp-МОП имеет экспоненциальный вид в соответствии с уравнением T(t) = ТВ + Ррасс∙RT∙[1–e–t/(RT∙CT)].
Результирующие теплоемкости равны 0,009 Дж/°C при использовании в расчете величины падения напряжения на открытом диоде ЗЭР и 0,0044  Дж/°C — при использовании в расчете сопротивления в открытом состоянии ключа p-МОП. Разница в показаниях объясняется градиентами температуры на устройстве. Ключ p-МОП, находящийся в непосредственной близости от источников тока, демонстрирует бóльшую скорость нарастания температуры и имеет бóльшую температуру, чем диод ЗЭР на выводе LEDI/NTC, расположенный дальше от силовых устройств микросхемы.
Разница в показаниях температуры обусловлена наличием теплового сопротивления и теплоемкости между двумя точками измерения на кристалле устройства. Кроме того, характеристики в обоих случаях имеют приблизительно экспоненциальный вид с общей временнóй константой. На практике показание рассеянной мощности немного другое из-за нагревания ключа p-МОП и источников питания, что приводит к небольшому росту Ррасс с повышением температуры кристалла. Модель полного теплового сопротивления позволяет лучше оценить рабочие параметры импульсных устройств, в частности драйверов флэш-светодиодов, чем модель теплового сопротивления. Например, если ток вспышки равен 1,2 А, VВх = 5 В и Vсвет = 3,4 В, мощность рассеивания устройства в режиме пропускания составит 2,14 Вт.
При RК-В = 48°C/Вт и температуре окружающего воздуха 50°C модель установившегося режима позволяет получить температуру кристалла величиной 153°C, что на 28°C выше максимального значения рабочей температуры кристалла. Учитывая, что теплоемкость равна 0,0044°C/Дж, а продолжительность импульса вспышки — 200 мс, мы получим лучшую оценку температуры кристалла — около 113°C.

Зависимость сопротивления обмотки дросселя от температуры

Расчеты для преобразователя LM3554 можно распространить и на силовой дроссель для LM3554. Избыточное тепло, рассеиваемое на нем, изменяет характеристики устройства и приводит к непредусмотренному функционированию как дросселя, так и источника питания.
В целом воздействие избыточной температуры на силовой дроссель вызывает увеличение сопротивления обмотки по постоянному току и снижение предела насыщения тока. Сопротивление дросселя по постоянному току изменяется с температурой в соответствии с температурным коэффициентом удельного сопротивления катушки дросселя. Как правило, катушка дросселя сделана из меди, температурный коэффициент удельного сопротивления (α) которой равен 3,9 мОм/°C. Уравнение для сопротивления обмотки выглядит следующим образом:
R = ρ∙l/S∙(1 + α∙[T – 25°C]), что эквивалентно 0,39%/°C.
В оценочном комплекте для преобразователя LM3554 указан дроссель FDSE0312-2R2 компании Toko. При TВ = 25°C измеренное значение сопротивления составляет 137 мОм. При 85°C сопротивление становится равным 50°C ∙ 0,39%/°C = 19,5% (или 164 мОм). При среднеквадратичном значении тока дросселя 2 А и VВх = 3,6 В изменение сопротивления дросселя приведет к снижению КПД примерно на 1,5%.

Насыщение дросселя

Возможно, самый большой недостаток силового дросселя при высокой температуре — уменьшение номинального тока насыщения. При больших среднеквадратичных токах внутреннее рассеивание мощности приводит к повышению температуры дросселя, в результате чего снижается его точка насыщения. При насыщении материал сердечника дросселя достигает такого состояния, когда плотность магнитного потока перестает расти пропорционально напряженности магнитного тока и увеличивается лишь незначительно.
На экране осциллографа видно, что угол наклона тока дросселя импульсного стабилизатора растет по мере перехода устройства в режим насыщения, что эквивалентно уменьшению индуктивности. Рост тока пульсаций приводит к увеличению среднеквадратичного значения тока и потерь дросселя на переключение, что в совокупности вызывает потери мощности на дросселе и снижение КПД. У дросселя может быть скачкообразная характеристика насыщения в определенной точке или плавная характеристика, как в случае с дросселем FDSE0312-2R2. 
Тем не менее производители дросселей обычно указывают такую точку насыщения, в которой происходит резкое снижение индуктивности при определенном токе и температуре. На рисунке 4 показан пример дросселя, работающего в режиме насыщения.

Рис. 4. Пример использования дросселя VLS4010-2R2 (2,2 мкГн) компании TDK

В этом примере используется дроссель VLS4010-2R2 (2,2 мкГн) компании TDK, значение индуктивности которого резко снижается при насыщении. Данный эффект наблюдается при работе повышающего преобразователя LM3554 с минимальной продолжительностью вспышек — 32 мс. Малая ширина импульсов способствует ограничению саморазогрева дросселя и позволяет управлять его температурой путем регулирования температуры извне. На диаграмме в верхнем левом углу рисунка 4 отражена работа дросселя ниже точки насыщения, о чем свидетельствует треугольная форма сигнала.
После 50°C (см. верхний правый угол рисунка 4) угол наклона кривой тока дросселя начинает увеличиваться, достигая значения 1,76 А. Это указывает на то, что точка насыщения дросселя сместилась вниз. Когда температура достигает значения 70, а затем 85°C, сигнал тока свидетельствует о насыщении дросселя.

Оценка температуры дросселя

Вклад в повышение температуры дросселя вносят различные факторы, в т.ч. температура окружающей среды, полное тепловое сопротивление дросселя и рассеивание мощности внутри него. Используя эффект изменения сопротивления дросселя по постоянному току, можно с хорошей точностью оценить рабочую температуру дросселя. Этот метод схож с применением диода ЗЭР или сопротивления RDS(ON) ключа p-МОП в том, что дроссель выступает в качестве термометра.
С помощью уравнения, описывающего зависимость сопротивления дросселя от температуры, для ∆T получаем следующее соотношение: ∆T = (R2/R1 – 1)/α. Пример теста с использованием дросселя VLS4010ST-2R2 в цепи LM3554 при броске тока 1,65 А DC показан на рисунке 5.

Рис. 5. Тепловая характеристика дросселя VLF4010ST-2R2 при броске тока 1,65 А DC

Сопротивление дросселя при комнатной температуре составляет 65 мОм. Через 30 с устройство достигает установившегося значения 73 мОм, соответствующего рабочей температуре около 56°C. По определению, тепловое сопротивление RT = (Tвсп – ТВ)/(IDC2∙RД@Tвсп), т.е. рассеивание мощности на дросселе зависит от его сопротивления, которое меняется с температурой.
Таким образом, необходимо выполнить расчет температуры Tвсп дросселя при заданном RT. Подставив уравнение для RT в формулу зависимости сопротивления дросселя от температуры, получаем для Tвсп = (ТВ – ТВ∙α∙k + k)/(1 – α∙k), где k = IД2∙R@ТВ∙ RТ.
Из рисунка 5 также видно, что эквивалентный рост температуры дросселя имеет приблизительно экспоненциальную зависимость от времени первого порядка — T(t) = ТВ + Ррасс∙RT∙[1–e–t/(RT∙CT)]. Знание величины полного теплового сопротивления дросселя в примере с драйвером для флэш-светодиодов позволяет лучше оценить работу устройства.
Поскольку дросселю требуется достаточно большое время для достижения установившейся температуры, по сравнению с продолжительностью вспышки (менее 1 с), оценка рабочей температуры при полном токе вспышки и тепловом сопротивлении в установившемся режиме с большой вероятностью оказывается завышенной. Возможно, это происходит из-за того, что в таком импульсном устройстве как драйвер флэш-светодиода используется дроссель меньших габаритов, чем в источнике питания в стационарном режиме.
Рассмотренные примеры демонстрируют лишь несколько из многих методов измерения температуры на примере микросхемы и выбора для нее теплового сопротивления. Точное знание температуры устройства наряду с величиной рассеиваемой им мощности позволяет произвести верный расчет теплового сопротивления.
После определения теплового сопротивления поэтапное изменение рассеиваемой устройством мощности и отслеживание его температуры позволяет рассчитать теплоемкость устройства и получить более точную оценку изменения его температуры в переходных процессах.
Данные примеры теплового расчета для сильноточного флэш-драйвера белого светодиода в равной степени пригодны в отношении других устройств по управлению энергопотреблением — как импульсных, так и тех, которые функционируют в течение более продолжительных периодов времени.

Литература

1. Travis Eichhorn. Things to keep in mind when designing power management circuitry//www.powermanagement-europe.com/showArticle.jhtml;jsessionid=WJGR0ZN3O10O3QE1GHPCKH4ATMY32JVN?articleID=220700246.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Владимир Кондратьев, инженер-разработчик



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты