AN170 - DCスイッチング電源の直接接合部温度測定

図１：MPQ4572のPGNチャネルMOSFETボディダイオード

MPQ4572は、完全に集積された固定周波数の同期降圧コンバータであり、ピーク電流制御で最大2Aの連続出力電流を実現できます。このデバイスは、さまざまな降圧アプリケーションに対応するために、4.5Vから60Vの入力電圧範囲を提供します。ボディダイオード（MOSFETの一部）を介して順方向に1mAの電流源をPGピンで印加します（図1を参照）。

ダイオード電圧対温度曲線は、EVQ4572-QB-00A評価ボードで測定できます（図2を参照） 。カスタムボードから直接測定することもできます。ダイオード曲線の特性は、PCBの寸法ではなく、温度に依存します。

図2：EVQ4572-QB-00A 4層評価ボード（8.9cm x 8.9cm）

設計手順

パワーグッド（PG）ピンには、ボディダイオードを備えた内部NチャネルMOSFETがあります。接合部温度を正確に測定するには、順方向ダイオードの電圧と温度を校正する必要があります。キャリブレーションについては、以下の手順に従ってください：

1. 抵抗、マイクロコントローラ、または部品をPGピンから外します。
2. テスト対象のデバイスパッケージの上に温度センサ（小さなPT1000、4線など）を接着します。

別の方法は、テスト対象のデバイスの近くにフローティング熱電対をはんだ付けすることです（この熱電対をGNDにはんだ付けすることをお勧めします）。温度センサーをパッケージに固定するのは大変な作業なので、可能な限り小さいセンサーを使用してください。温度センサーは、小さなパッケージに対してヒートシンクとして機能しないようにする必要があります。熱伝導性接着剤を使用してPT1000温度センサーをパッケージに固定するか、ボードのEMC静音電位を持つ部分（GNDやVINなど）に熱電対を直接はんだ付けしてして使用します（図3を参照）。

図３：熱電対をPCBにはんだ付けする

 

• ダイオードテスト機能と1mA電流源を内蔵した高精度マルチメータをPGピンに接続します（図1および5を参照）。より小さな電流を使用することもできますが、システムは、校正中および測定中は同じ電流である必要があります。
• クライメートチャンバー内で順方向ダイオード電圧と接合部温度の関係を測定します。
• デバイスに目的の入力電圧（V_IN）未満の電源電圧が供給されている場合のダイオード電圧を測定します。V_INが効率に影響を与えることがあるので、どのVINの値が有効なキャリブレーションを有し、したがってデバイスの温度に影響を与えるかを決定します。DC/DCコンバータ出力に負荷を接続しないでください。
• 評価ボードまたはカスタムPCBで測定を行います。
• デバイスの電源を切ります。
• クライメートチャンバーを始動し（たとえば、25°C）、外部温度センサーが安定した読み取り値を示すことを確認します。
• デバイスの電源を短時間入れて、マルチメータの電圧を読み取ります。負荷がない場合、接合部の電力損失は低い（わずか数mW）ため、接合部温度は大幅に上昇しないはずです。可能であれば、小さな負荷での静止電流が低いため、高度な非同期モード（AAM）を使用してください。
• デバイスの電源を切ります。
• クライメートチャンバーを次に選択した温度に設定し、PCBの比熱容量とサイズに応じて約20?30分間PCBの温度を安定させます。
• デバイスの電源を短時間入れて、マルチメータの電圧を読み取ります。
• デバイスの電源を再度オフにします。クライメートチャンバーを次に選択した温度に進めます。
• 最大の望ましい負荷と最大の周囲温度の下で順方向ダイオード電圧を測定します。

考慮事項

PG順方向電圧ダイオードを測定するときは、次の点に注意してください。

• この校正された電圧対接合部温度の傾きはほぼ線形です。最高の精度を得るには、より多くの点と多項式近似関数を使用します。再現性については、キャリブレーションを確認してください。
• 同じタイプのデバイスの傾きは似ていますが、オフセットが異なることがよくあります。
• 同様のデバイスは、通常、わずかに異なる勾配を持ちます。
• V_OUTへの小さな変更などの副作用が発生する可能性があります。これは接合部内の結合電流がそのような影響を引き起こす可能性があるためで、障害と見なすべきではありません。
• この測定方法の主な利点は、順方向ダイオード電圧を使用して、任意の負荷での接合部温度を計算できることです。
• 温度センサは必要ありません。
• すべての部品がPGピンを使用して電流を測定できるわけではないことに注意してください。製品ガイダンスについては、部品メーカーにお問い合わせください。

測定された検量カーブ

図4は、線形フィット関数を持つ1次PG順方向ダイオード電圧対接合部温度のグラフを示しています。PGダイオードは、図1に示す外部1mA電流源によって駆動されます。

図4：EVQ4572-QB-00Aで測定された検量カーブ

ダイオード電圧を測定することにより、接合部温度は式（1）で計算できます。

$$voltage(T_{J})=-0.8068 \space x\space T_{J}\space x \space \frac {mV}{oc} + 592.88mV $$

ボディダイオードの読み出しとサーマルカメラの比較

表1は、接合部温度の読み取り値とビジュアルサーマルカメラの直接比較を示しています。周囲温度は、白金抵抗タイプPT1000（28.0°Cで1109Ω）で測定されます。

表1：PG フォワードダイオード温度読み出し対比サーマルカメラ

異なる電流負荷での熱測定

図5と図10に示すように、小信号セクションとパワーMOSFETセクションは異なる位置にあります。PG順方向電圧ダイオードはPG位置での接合部温度を測定するため、ダイオード温度をその位置でのカメラ温度と比較する必要があります。MOSFETの温度は数度高いため、その小さなオフセットを最大接合部温度に追加する必要があります。図6から13は、表1に対応するカメラの測定値を示しています。これらの測定はすべて、EVQ4572-QB-00Aを使用して行われました。

注：

1）2.5Aの連続電流は推奨されません。

応用

故障モードおよび影響解析 (FMEA)

故障モード影響解析 (FMEA) は、完全なシステム内のコンポーネントとサブシステムをレビューする方法です。FMEA の目的は、潜在的な故障モードとその影響と原因を特定することです。各コンポーネントは、定義されたプロセスでテストされ、故障したコンポーネント、またはコンポーネントが公称値から仕様外であるかどうかをシミュレートします。故障した各コンポーネントは、システム全体の故障モードに影響します。これらの故障モードの結果を理解することにより、設計者は、選択したコンポーネントによってシステムの精度が低下しているかどうか、またはユーザーまたは環境に潜在的な危険があるかどうかを判断できます。

上記の方法で接合部温度を直接測定することにより、設計者は困難な動作条件下でも接合部温度の正確な温度測定を容易に得ることができます。DCスイッチング電源の接合部温度は、多くの場合、PCB上で最も暖かい領域であり、FMEAにとって有用な情報です。

高加速寿命試験 (HALT)

高加速寿命試験（HALT）は、エレクトロニクス、医療、コンピュータ、自動車、軍事など、多くの業界で製品の信頼性を高めるための試験です。HALTテストは、多くの場合、コンポーネントまたはシステムの指定された最大動作温度および機械的振動レベルから外れたところで行われます。このテストの目的は、システムの動作を理解することです。

たとえば、DC スイッチング電源装置の温度が指定された最大ジャンクション温度を超える場合を考えます。接合部温度を直接測定することにより、デバイスがその限界を超えて動作しているかどうかをすばやく把握できます。HALTは、システム内の「未知の」未知数を探します。そのため、部品が故障する正確な温度を測定できることは、重要な情報となります。

高加速ストレススクリーニング (HASS)

製品の製造上の欠陥を見つけるために使用される効果的な生産スクリーニング法における高加速応力スクリーニング（HASS）。HASSの目標は、製品ライフサイクルの生産段階における製造上の欠陥の発見を加速し、関連する障害を減らすことです。

結論

この直接温度読み出し方法は、サーマルカメラを利用できない温度チャンバーでカスタムPCBをテストする際の設計エンジニアのプロセスを簡単にします。この便利な方法は、デバイスパッケージに温度センサーを固定するなどの複雑で時間のかかるプロセスなしで、高速で信頼性が高く正確な接合部温度データを実現します。

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