温度监控系统优化电源设计中的冷却系统

与低功率同类产品不同，MOSFET、IGBT、功率二极管和晶闸管等功率器件会产生大量热量。因此，有效的热管理对于确保电力电子设备的可靠性和优化的寿命性能至关重要，包括由更高工作温度、宽带隙 (WBG) 半导体材料制成的设备。

原则上，半导体的寿命与工作期间达到的结温 (TJ) 成反比。组件的散热越好，就越有可能达到其最大预期寿命。对于大多数基于硅的组件，能够确保设备安全运行的 TJ 最大值约为 150°C;对于 IGBT，最高结温为 175°C。

热管理基础知识

电子元件在运行过程中温度升高，直到器件内部产生的热量与周围环境散发的热量相等，达到平衡状态。牛顿冷却定律指出，散热率与元件本体与外部环境的温差成正比。当产生温差时，热量从高温区流向低温区，类似于由电势差产生的电流。

热导率 (k) 是表示材料导热能力的量，单位为瓦特每米开尔文 (W/mK) 或瓦特每厘米开尔文 (W/cm-K)。已知K，可根据公式求出一定体积材料的热阻(θ)：

θ = L / (K × A)

其中L为材料的长度或厚度，单位为米，K为导热系数材料，A是横截面积，m 2。

通常，在两个参考点之间测量时，热阻等于 100°C/W 的器件对于 1 W 的功耗会表现出 100°C 的温差。如果热管理处理不当，在平衡点达到的温度可能会过高，从而降低设备性能并可能导致设备故障。对单个功率器件所做的相同考虑可以应用于整个电路或电子板。

冷却解决方案

可以采用各种冷却解决方案将结温保持在安全范围内。理想情况下，鉴于热管理对电力电子设备的使用寿命很重要，应从设计的初始阶段开始解决热管理问题。

如果组件受到强制气流，则散热率更高;因此，冷却组件的第一种方法是使用风扇。为设计选择正确的尺寸和旋转速度很重要，对于将多张卡放置在同一机架内的应用，可能需要以促进空气正常流动的方式设计机械部件。

组件产生的大部分热量通过其外表面消散。因此，另一种改善散热的方法是通过将设备连接到具有高导热率的散热器来人为地增加设备表面。散热器是在铝、铜或源自这些金属的合金等材料上使用冲压、挤压或铸造工艺制造的。散热器通常具有翅片结构，以最大化用于冷却的有用表面。为了进一步改善冷却，一个或多个风扇用于产生朝向散热器的强制空气流。导热膏的应用可以减少组件和散热器之间的间隙，降低两者之间接触点的热阻。

如果需要散发大量热量，例如大型开关电源，风扇和散热器可能会被证明是不够的。在这种情况下可以使用的方法包括液体冷却、热管和珀尔帖电池。

正确的热管理始于 PCB 的设计：走线宽度和厚度、热通孔和大面积的铜都极大地影响散热。正温度系数 (PTC) 热敏电阻是另一种有用的热管理解决方案。由于其非线性特性，PTC热敏电阻在室温下具有低电阻。随着温度升高，电阻增加，要消散的热量增加，热敏电阻触发，限制电流并降低器件温度。

除了传统的散热系统外，市场上还出现了热电薄膜材料等创新解决方案。这些材料与当前的半导体制造工艺兼容，厚度从几纳米到几微米不等，可以将冷却功能直接集成到功率器件中。

类似的解决方案是热铜柱凸块，它将热电薄膜材料集成到倒装芯片封装中。利用热电效应，这种紧凑的解决方案(材料厚度为几微米)为功率器件、激光二极管、GPU 和 FPGA 提供高效冷却。

温度管理单元

准确的温度监测是许多电子电源应用中的关键操作。大多数电气参数在某种程度上取决于温度。然而，最常用的温度敏感参数 (TSP) 之一是恒定电流通过的二极管的正向压降。典型的温度测量单元 (TMU) 解决。

除了二极管，系统中的 TMU 还包括一个电压缓冲器、一个模数转换器 (ADC) 和一个逻辑器件。这种类型的集成电路提供准确的实时温度测量，通过高速数字接口(I2C、SPI 或 APB)与主机系统通信。

ADI 公司提供范围广泛的温度监控系统。一个例子是 LTC2986，它支持不同的温度测量传感器，并以 0.1°C 的精度和 0.001°C 的分辨率以数字方式输出结果(以°C 或°F 为单位)。LTC2986 可以测量几乎所有标准(B、E、J、K、N、S、R、T 型)或定制热电偶的温度，自动补偿冷端温度，并使结果线性化。该设备还可以使用标准的两线、三线或四线 RTD、热敏电阻和二极管测量温度。它包括适用于每种温度传感器的励磁电流源和故障检测电路。

LTC2986-1 是 LTC2986 的 E2PROM 版本。LTC2986/LTC2986-1 器件 是 20 通道 LTC2983/LTC2984 的 10 通道软件和引脚兼容版本。其他功能包括在通用多传感器应用中实现轻松保护的特殊模式、用于通用 ADC 读数的自定义表格以及来自有源模拟温度传感器的直接温度读数。

热电偶可以测量从 –265°C 到超过 1,800°C 的温度，并根据尖端(热电偶温度)和电路板上的电气连接(冷端温度)之间的温差产生电压。冷端温度可以通过在冷端放置一个单独的温度传感器(例如二极管、谐振隧道二极管 [RTD] 或热敏电阻)来确定。

这些应用包括直接热电偶测量、直接 RTD 测量、直接热敏电阻测量和定制传感器应用。