DCスイッチング電源の接合部温度直接測定

Ralf Ohmberger

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はじめに

設計者は、DCスイッチング電源の接合部温度を測定したくなります。これは温度チャンバーでは特に困難です。その理由は、サーマルカメラは不正確で高い環境温度で損傷する可能性があり、外部温度センサは小さなパッケージに固定するのが難しいためです。この論説では、パワーグッド (PG) ピンのMOSFETボディダイオードを使用して直接温度を読み出す測定方式を実装する方法を示し、読者がICの接合部温度を測定する実際的な方法を理解するのに役立ちます。これは、ダイオードの電圧と温度の関係を使用し、直接電圧を読み出す方法です。

背景

多くのアプリケーションでは、指定された最大負荷と周囲温度の下で接合部温度を測定することが重要です。図1に、PGボディダイオードを使用したMPSのMPQ4572のDCブロック図を示します。このデバイスは、この論説の例として使用されます。

図1：MPQ4572のPG N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～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)

パワーグッド (PG) ボディダイオードによる接合部温度の測定

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：

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。
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を使用してください。温度センサは、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B

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V IN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。

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。

$$voltage(T_J)=-0.8068 \times T_J \times \frac{mV}{°C}+592.88mV $$

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

表1は、パッケージのPGダイオードセクションで測定された接合部温度がサーマルカメラと同等であることを示しています。カメラ方式では、接合部とパッケージ上面の間のモールドコンパウンドの熱抵抗により、温度が低くなります。カメラは0.95の放射率に調整されています。これは、パッケージのモールドコンパウンドに最適です。接合部温度はコンポーネント間で一貫していません (たとえば、ダイ内部のPGセクションはMOSFETセクションよりも低温です) 。図5にPGダイオード部とMOSFET部を示します。

図5：MOSFETおよびPGセクションを備えたMPQ4572パッケージ

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?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。