深度解析熱敏電阻的熱管理

功率半導(dǎo)體在電子世界承擔著重任，而其熱管理對于元件運行的可靠性和使用壽命至關(guān)重要。為此，TDK集團特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(dǎo)體元件的溫度。功率半導(dǎo)體會產(chǎn)生熱損失，損耗功率范圍下至幾瓦上至上千瓦不等。為對功率半導(dǎo)體進行熱管理，在設(shè)計時會將功率半導(dǎo)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(dǎo)電能力的單位為K/W。該數(shù)值越小，則表示熱耗散越大。若已知某一半導(dǎo)體出現(xiàn)最大熱耗散、最高的預(yù)期環(huán)境溫度，再考慮相關(guān)的接觸熱阻，則可研判出所需的散熱片類型。若單獨通過對流產(chǎn)生被動式熱耗散，則在較短時間內(nèi)就會達到溫度限值。而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(dǎo)致裝置難以獲得緊湊型結(jié)構(gòu)。而唯一的補救方法則是采用風冷式風扇或者水冷式的熱交換系統(tǒng)，且該系統(tǒng)它們運行時無須額外調(diào)節(jié)。在大多數(shù)應(yīng)用中，包括在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，并防止產(chǎn)生不必要的噪音，我們建議在大多數(shù)應(yīng)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，并適用于各類應(yīng)用，故而屬于檢測溫度限值的理想選擇。而在熱敏電阻基礎(chǔ)技術(shù)方面，正溫度系數(shù) (PTC) 和負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻之間則存在著顯著差異，二者的電阻阻溫曲線具有本質(zhì)差異(請參見圖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(左圖)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(guān)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，故而適用于監(jiān)測溫度限值，并在達到某一設(shè)定溫度后啟動風扇。而正溫度系數(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)，故而在作為一個溫度傳感器使用的過程中，它能夠輕而易舉地監(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，則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，圖形處理器和其他發(fā)熱元件均應(yīng)采用貼片的PTC。而正溫度系數(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集團特推出一系列特殊型號，這些特殊型號能夠按照相應(yīng)的要求進行組裝，并能夠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

從左至右：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顯示為由兩個串聯(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，而運算放大器則充當比較器的角色。至于TR1，在設(shè)置時，其最大值應(yīng)約等于常溫電阻的兩倍。而TR1還能夠相應(yīng)地進行微調(diào)。在冷態(tài)下，非反相輸入端將出現(xiàn)電位，而這一電位相比反相輸入端電位則具有較高的負電位。這則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(yīng)的溫度限值，則分壓器的電位將出現(xiàn)變化，而比較器則將進行切換，并發(fā)送一個正輸出信號，進而切斷晶體管。圖3：采用正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器監(jiān)測溫度的電路

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(yīng)用中，則主要采用負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻。我們將通過下述實例向大家展示負溫度系數(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) 熱敏電阻將用于監(jiān)測高性能音頻結(jié)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。而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(請參見圖4)。圖4：含風扇/冷卻裝置

在本設(shè)計中，四個散熱片均必須進行熱檢測。

需特別關(guān)注輸出晶體管的熱監(jiān)測問題，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。而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，以及當溫度達到100℃時，必須進行甩負荷。而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) 傳感器由此應(yīng)運而生。圖5：愛普科斯 (EPCOS) 負溫度系數(shù) (NTC) 傳感器

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R25為10 k?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，RT/R25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，則需采用一個帶有兩個比較器的電路。實際完成的完整電路請參見圖6。圖6：音頻結(jié)束階段的雙重溫度保護

通過這一電路能夠?qū)?個散熱片進行熱監(jiān)測。當溫度高于85℃時，風扇將被激活。在不利的環(huán)境條件下，溫度甚至能夠達到100℃，然后再進行甩負荷。為完成這一操作，直流 (DC) 電壓保護電路將接收到一個正值信號，進而引發(fā)繼電器跳閘。

2個開關(guān)閾值的參考值將通過2個微調(diào)器，即R7和R8(分別為2.2 k?)進行設(shè)置。如上所述，兩個微調(diào)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，故而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，我們就在風扇斷開后立即對結(jié)束階段展開檢測，而檢測到的安全斷開溫度為103℃。通過對R8進行微調(diào)，則能夠?qū)⑦@一數(shù)值精確地調(diào)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) 傳感器具有各式型號，同時兼具不同的特性、設(shè)計和固定方式選項，故而能夠在幾乎所有的可能應(yīng)用中可靠地完成熱管理工作。