三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)態(tài)熱阻測試方法的探究

梅青

摘 要：三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品自問世以來，由于難以將器件的熱敏感參數(shù)與器件的結(jié)溫建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，所以不能像二極管或三極管一樣通過PN結(jié)的正向與結(jié)溫的線性關(guān)系來測試三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)熱阻;由于不能有效測試三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品的熱阻，所以在產(chǎn)品的生產(chǎn)試驗(yàn)過程中，不能夠準(zhǔn)確地判斷出產(chǎn)品的額定功率和工作結(jié)溫。本文通過在三端集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路尋找與器件結(jié)溫呈線性關(guān)系的熱敏感參數(shù)，然后采用與二極管類似的測試方法對三端集成穩(wěn)壓器的熱阻進(jìn)行測試。

關(guān)鍵詞：集成穩(wěn)壓器;穩(wěn)態(tài)熱阻;熱敏感系數(shù)

0 引言

三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品在電源系統(tǒng)中有著廣泛的運(yùn)用，其具有使用方便、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品是一種功率器件，同時(shí)其器件本身內(nèi)設(shè)過熱保護(hù)功能，如果三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品的功率加載過大，則容易使器件的結(jié)溫超過器件本身的過熱保護(hù)工作點(diǎn)，器件在高溫環(huán)境中工作時(shí)更容易觸發(fā)其過熱保護(hù)功能。所以為了保證集成穩(wěn)壓器器件的正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)必須要根據(jù)器件的額定功率設(shè)計(jì)其器件本身的功率，否則將導(dǎo)致器件不能正常工作。

半導(dǎo)體器件的額定功率，可見如果器件的熱阻越大，其額定功率越小，越不利于產(chǎn)品的散熱。

所以在三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中，應(yīng)該盡可能控制器件的熱阻越小越好，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于難以將器件的熱敏感參數(shù)與器件的結(jié)溫建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，所以集成穩(wěn)壓器熱阻測試相較于二極管等器件較難;通過查閱資料[1]，德州儀器公司提供了一種通過器件的過熱保護(hù)模塊功能測試穩(wěn)壓器熱阻的方法，通過該方法確實(shí)能測的集成穩(wěn)壓器的熱阻，但操作性不強(qiáng)。

為了找到一種便于操作的測試方法，筆者通過參考二極管穩(wěn)態(tài)熱阻測試方法，探究了一種測試集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品熱阻的方法。

1 二極管穩(wěn)態(tài)熱阻測試方法

硅二極管的正向壓降VF與PN結(jié)溫度TJ在一定的溫度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，所以△VF與△TJ是的比值是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)稱為溫度系數(shù)，用符號K表示，可得公式：

（2）式中TA可以直接測出（一般按環(huán)境溫度25℃計(jì)算），P可以根據(jù)通過測量二極管兩端的VF和流過二極管的電流I得到，而比較難以測量的就是二極管的結(jié)溫TJ，通過（1）式中，便可以將TJ的測試轉(zhuǎn)換為VF的測試，這就變得容易許多。

所以測試二極管的熱阻時(shí)，只需要測試正向壓降變化量和K系數(shù)就可以很容易測試。

2 集成穩(wěn)壓器K系數(shù)的確定

參考二極管穩(wěn)態(tài)熱阻的測試方法，如果欲通過同樣的方式測試集成穩(wěn)壓器的穩(wěn)態(tài)熱阻，最關(guān)鍵的是找到與溫度呈線性關(guān)系的熱敏電壓值。

以CW78XX產(chǎn)品為例，用萬用表測量集成穩(wěn)壓器某兩個(gè)引腳之間的壓降（常見的是GND—VIN之間），往往能得到0.6V左右之間的電壓值（筆者將該電壓記為VFGI），類似于測到PN結(jié)的正向?qū)▔航??；谶@一現(xiàn)象，筆者認(rèn)為可以嘗試采用GND—VIN之間壓降作為溫度敏感參數(shù)進(jìn)行集成穩(wěn)壓器的熱阻測試。

結(jié)合CW78XX產(chǎn)品的電原理圖（如下圖1所示），明確GND—VIN之間的壓降主要是二極管DZ1和電阻R4的壓降，如果將R4當(dāng)作DZ1的內(nèi)阻，完全可以將其等效為一個(gè)二極管模型進(jìn)行考慮;

利用T3Ster設(shè)備測試VFGI隨溫度的變化值，筆者發(fā)現(xiàn)VFGI與溫度呈線性關(guān)系變化;如下圖2所示;

筆者測量了2只CW7810和3只CW7812的VFGI—T的關(guān)系，其系數(shù)K值依次如下表1所示;

結(jié)合上述測試結(jié)果，可見采用GND-VIN之間的壓降VFGI作為集成穩(wěn)壓器的溫度敏感參數(shù)是可行的。

3 集成穩(wěn)壓器穩(wěn)態(tài)熱阻的測試

當(dāng)明確了溫度敏感參數(shù)后，便可根據(jù)溫度敏感參數(shù)確定器件工作時(shí)的TJ，再根據(jù)熱阻的定義，就可以得到三端集成穩(wěn)壓器的穩(wěn)態(tài)熱阻為：

所以，欲測試集成穩(wěn)壓器的熱阻，除了找到熱敏感參數(shù)外，還需要在集成穩(wěn)壓器上加載功率，并在加載功率達(dá)到穩(wěn)態(tài)后測量VFGI2;

根據(jù)三端集成穩(wěn)壓器應(yīng)用的相關(guān)知識，欲在三端集成穩(wěn)壓器上加載功率需要在穩(wěn)壓器的輸入端加載大于輸出電壓至少2V的輸入電壓，同時(shí)，在輸出端和接地端之間加載負(fù)載，此時(shí)要在加電的同時(shí)（或斷電瞬間）測試VFGI是比較困難的，現(xiàn)有的設(shè)備T3Ster不能滿足這樣的加電要求。所以筆者退而求其次，采用另一種加載功率的方式。

在上述文中已經(jīng)提過，三端集成穩(wěn)壓器的GND-VIN之間相當(dāng)于二極管與電阻的串聯(lián)，所以在加載功率時(shí)足以可以通過該二極管加電對芯片進(jìn)行加功率。加電電路如下圖2所示;當(dāng)采用該方式對芯片進(jìn)行加載功率時(shí)，便可采用T3Ster設(shè)備進(jìn)行測試。

圖2中IF為加熱電流，IM為VFGI采樣電流，測試時(shí)要求>>，IF工作時(shí)，IM斷開，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，IF停止加電，IM開啟，通過電壓表測試此時(shí)的電壓即為VFGI。

利用該方式，筆者測試了CW7810的熱阻，得到其典型熱阻曲線如下圖3所示;

筆者測試了不同封裝、不同型號的三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品的Rth（j-a），得到其不同的熱阻值如下表2所示;

從表2看，TO-220封裝的三端集成穩(wěn)壓器結(jié)到環(huán)境的穩(wěn)態(tài)熱阻值小于TO-257（或TO-257A）封裝的結(jié)到環(huán)境穩(wěn)態(tài)熱阻值。筆者分析是因?yàn)門O-220封裝的產(chǎn)品，熱量除了從底座散熱外，還可以從周圍的塑料散熱，而TO-257或TO-257A封裝產(chǎn)品，散熱主要依靠底座散熱，因其器件內(nèi)部為氮?dú)?，氮?dú)獾纳嵝Чh(yuǎn)遠(yuǎn)比不上塑料封裝的塑封料，所以造成TO-220封裝的三端集成穩(wěn)壓器熱阻小于TO-257封裝的熱阻。

4 不足與展望

從上述測試熱阻方法可以看到，在對三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品進(jìn)行加功率時(shí)，僅僅是通過對其芯片內(nèi)部某一個(gè)位置進(jìn)行加功率，這就造成芯片發(fā)熱位置可能為一個(gè)點(diǎn);而三端集成穩(wěn)壓器正常工作時(shí)，其功率主要耗散在功率調(diào)整管上，由于功率調(diào)整管面積較大，所以可以看成是芯片上的大部分區(qū)域均發(fā)熱，兩者之間還是存在一定差異的。所以這就體現(xiàn)了上文中熱阻的測試方法只能作為一種參考，可能并不能精確反映集成穩(wěn)壓器的熱阻情況。

基于上述測試方法存在的不足，筆者也提供了另外一種測試方法的理論分析;根據(jù)三端集成穩(wěn)壓器應(yīng)用的相關(guān)知識，理論上可采用如下圖4電路進(jìn)行集成穩(wěn)壓器的熱阻測試;

在圖4電路中，IM為測試VFGI的測試電流（一般特別?。妷罕砩蠝y得的電壓即為集成穩(wěn)壓器的VFGI。開關(guān)S先接到觸點(diǎn)2，采集得到初始狀態(tài)下的VFGI1，然后將開關(guān)S接到觸點(diǎn)1，此時(shí)集成穩(wěn)壓器正常工作，其功率P=（VIN-VO）×IL，當(dāng)集成穩(wěn)壓器工作一段時(shí)間后，集成穩(wěn)壓器的結(jié)溫達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)將開關(guān)S立即接到觸點(diǎn)2，采集得到更高結(jié)溫下的VFGI2;然后根據(jù)式（5）便可得到集成穩(wěn)壓器的熱阻Rth（j-a）。

但是由于圖4中的測試方法在T3Ster上難以實(shí)現(xiàn)供電，所以本文中目前尚未采用該方法進(jìn)行測試試驗(yàn);

5 結(jié)論

測量三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)態(tài)熱阻的重點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：一是找到適當(dāng)?shù)臏囟让舾袇?shù)，并測試其敏感系數(shù);二是給三端穩(wěn)壓器加載功率的同時(shí)測試其溫度敏感參數(shù)的變化值;本文通過試驗(yàn)和理論分析確定了CW78XX穩(wěn)壓器的溫度敏感參數(shù)可以采用GND-VIN之間的壓降VFGI，同時(shí)通過對內(nèi)部二極管加電的方式測試了部分集成穩(wěn)壓器的熱阻，對研制和生產(chǎn)過程中分析集成穩(wěn)壓器的性能提供了一定的參考意義。

參考資料

[1]http：//wdu.21dianyuan.com/mobile/video_paly？vid=347

[2]T3Ster中文指南，上海坤道信息技術(shù)有限公司