了解PWM IC的热降额方面，以确保最佳系统性能
描述
现代 DC-DC 转换器使用集成 MOSFET 的 PWM 控制器来实现 DC-DC 模块的最高功率密度。由于功率MOSFET位于PWM芯片内部，因此它们会显著影响器件的热性能。因此，为了获得最佳器件性能，在实际工作条件下确定PWM IC的热降额特性至关重要。本文介绍如何构建和校准热降额盒，以评估PWM控制器的热性能。
介绍
在IC的评估阶段，芯片的最终工作环境通常并不为人所知，并且该环境可能因应用而异。了解便携式和非便携式应用中的热降额尤其重要，因为终端系统通常依赖于强制气流进行冷却。这就是为什么在具有内部MOSFET的脉宽调制（PWM）控制器的数据手册中包含热降额图的原因。降额曲线显示了在给定气流和环境温度条件下可以从芯片中获取多少功率。
为了确保应用的热环境不会使PWM控制器过载，可以使用热降额图来选择合适的PWM IC。带有热降额盒的测试系统提供了一种评估PWM芯片热降额性能的实用方法。
本文介绍如何构建和校准热降额盒。两个PWM控制器的测试结果显示与实际工作条件非常匹配。
标准化热测试
对于给定的模块尺寸（包括散热器）和给定的气流，可以耗散的最大功率受物理场的限制。因此，可以估计热性能。但是，如果没有对IC测试环境的某种标准化控制，不同供应商和不同封装的热降额结果将不一致。
生成标准器件降额数据的一种方法是实际测量模块在不同气流和环境温度条件下的热性能。热降额盒将有一个评估（EV）板，该板安装在箱内，PWM IC和一个可以校准以获得均匀气流的风扇。测试结果将被发布并由设计人员使用，作为为最终应用选择正确类型的模块的基础。
测试设备和校准
创建了一个标准的热降额盒。应调整包装盒尺寸，使最大的评估板适合内部，并且包装盒周围有足够的间隙。盒子的最小线性尺寸应为 1 英尺 x 1 英尺。该测试盒的高度应为 3 英寸以容纳风扇。可以使用两个或多个风扇来实现箱内均匀的气流。箱体材料应具有低导热系数;可以使用聚碳酸酯、聚丙烯或玻璃环氧板。厚度应至少为3.2mm，以提供刚性侧面。
将盒子水平放置在热室内。使用平均气流计校准盒子，以测量盒子左侧、中心和右侧开口端的气流，并确认盒子内的气流是否均匀。将模块放置在盒子中时，请确保风扇距离它至少 2 英寸。气流可以通过使用电压控制的变速风扇和增加或减少电压来调节。
从标准评估板开始，可以安装在更大的板上，方便处理和放置。将较大的板从盒子底部抬高至少 1 英寸，以确保板下方气流均匀。
一旦盒子进入烤箱，您必须确定烤箱的气流是否会影响降额盒内的气流。如果烤箱的气流确实影响了盒子的气流，请在测试外壳上放置一个较大的盒子，以保持盒子内的均匀气流。为了尽量减少干扰，请考虑安装降额盒，其风扇气流与烤箱的气流成直角。
可以使用常见的紧固件和粘合剂来组装盒子——只要确保它们能够承受烤箱中的更高温度即可。热电偶可以放置在IC的几何中心。但是，热电偶与IC的连接非常关键，因为必须确保热电偶不充当散热器。最好的方法是使用最少量的热环氧树脂将热电偶线连接到IC。
测量热电偶输出的仪表应电气浮动，以便温度读数不受施加到IC的任何电压的影响。热电偶导线尺寸可以是30 AWG或更小，导线的布线应尽量减少对气流的干扰。这同样适用于来自被测电路板的电源和任何其他电线。
在实际进行器件测试之前，必须校准热降额盒（见图2）。表1显示了空测试盒的校准数据，表2显示了带有评估板的测试盒的数据。数据图如图3a和3b所示。对于这两种配置，在箱内测量几乎均匀的气流。
盒子准备好后，将评估板安装在测试板上，并将所有东西放入热室。运行腔室一段时间，以达到热平衡。然后，评估板可以加载并运行，直到温度读数稳定。如果相隔5分钟的两个读数变化不超过0.2°C，则可以假设已达到热平衡。
最后，请注意，由于自然对流不稳定，尤其是在较高的IC温度和较高的功率水平下，因此很难确定无气流的热降额。
| 气流 （LFM） | |||
|
风扇 供应 （V） |
左 | 中心 | 右 |
| 3.3 | 102 | 98 | 91 |
| 4 | 215 | 207 | 187 |
| 6 | 339 | 337 | 323 |
| 8 | 449 | 447 | 445 |
| 10 | 565 | 585 | 581 |
| 12 | 685 | 709 | 673 |
| 气流 （LFM） | |||
|
风扇 供应 （V） |
左 | 中心 | 右 |
| 3.3 | 91 | 90 | 89 |
| 4 | 189 | 160 | 205 |
| 6 | 333 | 321 | 325 |
| 8 | 455 | 445 | 443 |
| 10 | 561 | 581 | 565 |
| 12 | 673 | 689 | 671 |
图 3a.当测试盒为空时，三个气流测量值提供基线信息。
图 3b.将评估板插入测试盒后，重复进行气流测量，以识别气流与空盒的差异。
测试结果
为了验证测试箱的性能，我们进行了实验，测量了两个Maxim PWM IC（MAX15035和MAX8686）的热性能。测试结果分别如图4a和4b所示。MAX15035为15A降压稳压器，内置开关。MAX8686为单/多相、降压型DC-DC转换器，每相可提供高达25A的电流。MAX15035评估板有四层，尺寸为2.4英寸x 2.4英寸，铜2盎司，MAX8686评估板为六层，尺寸为3.5英寸x 3.0英寸，铜质为2盎司。
图 4a.MAX15035的最大输出电流与环境温度的关系使用MAX15035评估板在测试盒中，可以确定三种不同气流水平的热降额曲线。
图 4b.MAX8686的最大输出电流与环境温度的关系MAX8686的热降额曲线显示，在+50°C环境温度下，控制器可以处理额定25A电流，气流低至100 LFM。
通过捕获这些真实数据，设计人员可以更准确地确定其应用所需的热降额。从这些热降额图中，最终用户可以为其应用选择合适的器件。对于给定的环境温度和气流，该图显示了PWM IC在不超过芯片安全工作区域的情况下可以处理多少功率。如果PWM IC不符合应用的安全工作标准，则用户必须增加可用于冷却的气流或改进散热设计。
审核编辑：郭婷
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