【導讀】功率半導體的熱管理對于元件運行的可靠性和使用壽命至關重要。本設計實例介紹的愛普科斯(EPCOS)負溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻系列，可以幫助客戶可靠地監(jiān)測半導體元件的溫度。
功率半導體在電子世界承擔著重任，其熱管理對于元件運行的可靠性和使用壽命至關重要。為此，TDK集團推出一系列愛普科斯(EPCOS)負溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻，幫助客戶可靠地監(jiān)測半導體元件的溫度。
功率半導體會產(chǎn)生熱損失，損耗功率范圍下至幾瓦上至千瓦不等。為對功率半導體進行熱管理，在設計時會將功率半導體組件安裝在一個塊散熱片上，以便于更加高效地進行散熱。散熱片導電能力的單位為K/W。該數(shù)值越小，表示熱耗散越大。若已知某一半導體出現(xiàn)最大熱耗散和最高的預期環(huán)境溫度，再考慮相關的接觸熱阻，則可判斷所需的散熱片類型。
若單獨通過對流產(chǎn)生被動式熱耗散，則在較短時間內就會達到溫度限值。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行充分的冷卻。此外，散熱片尺寸將導致裝置難以獲得緊湊型結構。唯一的補救方法是采用風冷式風扇或者水冷式熱交換系統(tǒng)，且運行時無須額外調節(jié)。
在大多數(shù)應用中，包括計算機和筆記本中使用的電源單元和變流器等，功耗均與負荷掛鉤。為改善能源平衡，防止產(chǎn)生不必要的噪音，我們建議在大多數(shù)應用中，僅需在達到某一特定的溫度限值后才進行主動式熱耗散。愛普科斯(EPCOS)熱敏電阻擁有眾多型號，適于在各類應用中檢測溫度限值。在熱敏電阻基礎技術方面，正溫度系數(shù)(PTC)和負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻之間存在顯著差異，二者的電阻阻溫曲線具有本質差異（見圖1）。
圖1：正溫度系數(shù)(PTC)和負溫度系數(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（上圖）的電阻出現(xiàn)急劇升高，故而適合用作溫度限值傳感器，而負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的電阻則呈線性關系，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，適用于監(jiān)測溫度限值，并在達到某一設定溫度后啟動風扇。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)熱敏電阻能夠進行串聯(lián)，在作為溫度傳感器使用的過程中，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，電路將進入到高阻狀態(tài)。這一原理同樣適用于筆記本，為便于監(jiān)測主處理器，圖形處理器和其它發(fā)熱元件均應采用貼片的PTC。
正溫度系數(shù)(PTC)傳感器還能夠進一步運用于三相電機繞組的熱監(jiān)測。為此，TDK集團推出一系列特殊型號，這些特殊型號能夠按照相應的要求進行組裝，并能輕易地與繞組進行集成。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。圖中分別為：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所示為由兩個串聯(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，運算放大器則充當比較器的角色。在設置TR1時，最大值應約等于常溫電阻的兩倍。TR1還能夠相應地進行微調。在冷態(tài)下，非反相輸入端將出現(xiàn)電位，這一電位相比反相輸入端電位具有較高的負電位。這意味著比較器輸出端出現(xiàn)負電壓。若某一個或兩個正溫度系數(shù)(PTC)傳感器達到相應的溫度限值，則分壓器的電位將出現(xiàn)變化，比較器將進行切換，并發(fā)送一個正輸出信號，進而切斷晶體管。
圖3為用于監(jiān)測兩個熱區(qū)的電路：例如，當超過溫度限值后，一臺風扇將自動開啟。
圖3：采用正溫度系數(shù)(PTC)傳感器監(jiān)測溫度的電路。
圖3為用于監(jiān)測兩個熱區(qū)的電路： 例如，當超過溫度限值后，一臺風扇將自動開啟。
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。需要線性特征的應用中，主要采用負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。
下述實例將展示負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻如何可靠地進行溫度監(jiān)測，在該實例中，負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻用于監(jiān)測高性能音頻結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)合冷卻風扇裝置上。4個獨立的散熱片則采用點對稱的方式進行布置。在每一個散熱片上均安裝兩根功率晶體管（圖4）。
在本設計中，四個散熱片均必須進行熱檢測。
圖4：含風扇/冷卻裝置。
輸出晶體管的熱監(jiān)測問題需特別關注，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，公差也會造成負荷分布不均勻的情況。在下述兩個階段都必須進行熱監(jiān)測：當一個或多個散熱片到達85℃時，風扇必須自動開啟，而當溫度達到100℃時，必須進行甩負荷。
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系列的負溫度系數(shù)(NTC)傳感器應運而生。
如圖5所示， 得益于接線片( 左圖) 或螺栓( 右圖) ， 此類愛普科斯(EPCOS)負溫度系數(shù)(NTC)傳感器能 夠為散熱片提供一個較好的熱觸點。
圖5：愛普科斯(EPCOS)負溫度系數(shù)(NTC)傳感器。
如圖5所示，得益于接線片(左圖)或螺栓(右圖) ，此類愛普科斯(EPCOS)負溫度系數(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R為10k?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，R/R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?。為進行雙重溫度檢測，需采用一個帶兩個比較器的電路。實際完成的完整電路請參見圖6。
圖6：音頻結束階段的雙重溫度保護。
2個開關閾值的參考值將通過2個微調器，即R7和R8（分別為2.2k?）進行設置。如上所述，兩個微調器將分別產(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。
在滿負荷跳線模式下進行的一個持續(xù)數(shù)小時的測試表明，風扇能夠在85℃時可靠地進行開啟。由于系統(tǒng)具有相對較低的熱量期限，因此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，在風扇斷開后立即對結束階段展開檢測，檢測到的安全斷開溫度為103℃。通過對R8進行微調，能夠將這一數(shù)值精確地調整為100℃。
由于愛普科斯(EPCOS)負溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)傳感器具有各種型號，同時兼具不同的特性、設計和固定方式選項，因此能夠在幾乎所有可能的應用中可靠地完成熱管理工作。
本文轉載自電子技術設計。
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