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深度解析熱敏電阻的熱管理
發(fā)布時間:2018-05-11 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體在電子世界承擔(dān)著重任,而其熱管理對于元件運行的可靠性和使用壽命至關(guān)重要。為此,TDK集團特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)測半導(dǎo)體元件的溫度。
功率半導(dǎo)體會產(chǎn)生熱損失,損耗功率范圍下至幾瓦上至上千瓦不等。為對功率半導(dǎo)體進(jìn)行熱管理,在設(shè)計時會將功率半導(dǎo)體組件安裝在一個塊散熱片上,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,則表示熱耗散越大。若已知某一半導(dǎo)體出現(xiàn)最大熱耗散、最高的預(yù)期環(huán)境溫度,再考慮相關(guān)的接觸熱阻,則可研判出所需的散熱片類型。若單獨通過對流產(chǎn)生被動式熱耗散,則在較短時間內(nèi)就會達(dá)到溫度限值。而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)。而唯一的補救方法則是采用風(fēng)冷式風(fēng)扇或者水冷式的熱交換系統(tǒng),且該系統(tǒng)它們運行時無須額外調(diào)節(jié)。在大多數(shù)應(yīng)用中,包括在計算機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,并防止產(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)行主動式熱耗散。
愛普科斯 (EPCOS) 熱敏電阻擁有眾多型號,并適用于各類應(yīng)用,故而屬于檢測溫度限值的理想選擇。而在熱敏電阻基礎(chǔ)技術(shù)方面,正溫度系數(shù) (PTC) 和負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻之間則存在著顯著差異,二者的電阻阻溫曲線具有本質(zhì)差異(請參見圖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,正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻(左圖)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,故而適用于監(jiān)測溫度限值,并在達(dá)到某一設(shè)定溫度后啟動風(fēng)扇。而正溫度系數(shù) (PTC) 溫度特性還具有另一個優(yōu)勢,即正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻能夠進(jìn)行串聯(lián),故而在作為一個溫度傳感器使用的過程中,它能夠輕而易舉地監(jiān)測多個熱區(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,則電路將進(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)測主處理器,圖形處理器和其他發(fā)熱元件均應(yīng)采用貼片的PTC。而正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器還能夠進(jìn)一步運用于三相電機繞組的熱監(jiān)測。為此,TDK集團特推出一系列特殊型號,這些特殊型號能夠按照相應(yīng)的要求進(jìn)行組裝,并能夠輕易地與繞組進(jìn)行集成。圖2表示供限溫監(jiān)測使用的正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器。
圖2:愛普科斯 (EPCOS) 正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器
從左至右:安裝在印刷電路板上的SMT正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器、與電機繞組進(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顯示為由兩個串聯(lián)正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器組成的一個簡單電路,。TR1與兩個正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器組成一個分壓器,該分壓器能夠提供運算放大器的非反相輸入,而運算放大器則充當(dāng)比較器的角色。
至于TR1,在設(shè)置時,其最大值應(yīng)約等于常溫電阻的兩倍。而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,而這一電位相比反相輸入端電位則具有較高的負(fù)電位。這則意味著比較器輸出端出現(xiàn)負(fù)電壓。若某一個或兩個正溫度系數(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,而比較器則將進(jìn)行切換,并發(fā)送一個正輸出信號,進(jìn)而切斷晶體管。
圖3:采用正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器監(jiān)測溫度的電路
用于監(jiān)測兩個熱區(qū)的電路:例如,當(dāng)超過溫度限值后,一臺風(fēng)扇將自動開啟。
一個傳感器探測兩個溫度除正溫度系數(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。需要線性特征的應(yīng)用中,則主要采用負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻。
我們將通過下述實例向大家展示負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻如何可靠地進(jìn)行溫度監(jiān)測,在該實例中,負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻將用于監(jiān)測高性能音頻結(jié)束階段時的兩個溫度。為保證盡可能小的外殼尺寸,8個采用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聯(lián)合冷卻風(fēng)扇裝置上。而4個獨立的散熱片則采用點對稱的方式進(jìn)行布置。在每一個散熱片上均安裝兩根功率晶體管(請參見圖4)。
圖4:含風(fēng)扇/冷卻裝置
在本設(shè)計中,四個散熱片均必須進(jìn)行熱檢測。
需特別關(guān)注輸出晶體管的熱監(jiān)測問題,因為此類輸出晶體管安裝在4個散熱片之上,且4個散熱片均相互絕緣隔熱,確保每個散熱片均單獨進(jìn)行監(jiān)測。這樣做的原因在于,即使晶體管的尺寸足夠大,公差也會造成負(fù)荷分布不均勻的情況。而在下述兩個階段都必須進(jìn)行熱監(jiān)測:當(dāng)一個或多個散熱片到達(dá)85℃時,風(fēng)扇必須自動開啟,以及當(dāng)溫度達(dá)到100℃時,必須進(jìn)行甩負(fù)荷。
而通過一個溫度傳感器就能同時實現(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) 傳感器由此應(yīng)運而生。
圖5:愛普科斯 (EPCOS) 負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 傳感器
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) 傳感器能夠為散熱片提供一個較好的熱觸點。
4個散熱器 (B57045K0103K000) 均選用R25為10 k?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,RT/R25比值為0.089928,這將產(chǎn)生一個900?左右的電阻。而在100℃時,所產(chǎn)生的電阻約為500?。為進(jìn)行雙重溫度檢測,則需采用一個帶有兩個比較器的電路。實際完成的完整電路請參見圖6。
圖6:音頻結(jié)束階段的雙重溫度保護
通過這一電路能夠?qū)?個散熱片進(jìn)行熱監(jiān)測。當(dāng)溫度高于85℃時,風(fēng)扇將被激活。在不利的環(huán)境條件下,溫度甚至能夠達(dá)到100℃,然后再進(jìn)行甩負(fù)荷。為完成這一操作,直流 (DC) 電壓保護電路將接收到一個正值信號,進(jìn)而引發(fā)繼電器跳閘。
2個開關(guān)閾值的參考值將通過2個微調(diào)器,即R7和R8(分別為2.2 k?)進(jìn)行設(shè)置。如上所述,兩個微調(diào)器將分別產(chǎn)生900?或550?的電阻。至于8個所需的比較器(U1A-U1D以及U2A-U2D),則采用經(jīng)濟型LM324放大器。在滿負(fù)荷跳線模式下進(jìn)行的一個持續(xù)數(shù)小時的測試表明,風(fēng)扇能夠在85℃時可靠地進(jìn)行開啟。由于系統(tǒng)具有相對較低的熱量期限,故而無需采用常用的滯回比較器電路。
為測試高溫環(huán)境下的絕緣情況,我們就在風(fēng)扇斷開后立即對結(jié)束階段展開檢測,而檢測到的安全斷開溫度為103℃。通過對R8進(jìn)行微調(diào),則能夠?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) 傳感器具有各式型號,同時兼具不同的特性、設(shè)計和固定方式選項,故而能夠在幾乎所有的可能應(yīng)用中可靠地完成熱管理工作。
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