如何在电源良好引脚上使用MOSFET体二极管实现温度测量

设计人员经常想测量直流开关电源的结温。从安全和故障模式以及效果分析（FMEA）的角度来看，了解系统的结温是一项重要且基本的要求。在许多应用中，重要的是在最大规定负载和环境温度下测量结温。

但是，由于热像仪不准确，在高温环境下可能会损坏，因此在温度室中通常很困难。而且，外部温度传感器难以固定在小包装上。本文通过演示如何在电源良好（PG）引脚上使用MOSFET体二极管实现直接读出温度测量方法的方法，来描述一种测量IC结温的实用方法。这是一种直接电压读取方法，它利用二极管的电压和温度关系。

图1这是使用PG N沟道MOSFET主体的降压转换器的框图。资料来源：单片电源系统

一个完全集成的固定频率同步降压转换器（本例中为MPQ4572）可通过峰值电流控制实现高达2 A的连续输出电流。该器件提供4.5V至60V的输入电压范围，以适应各种降压应用。通过PG引脚上的体二极管（MOSFET的一部分）在正向施加一个1 mA的电流源（图1）。

可以使用EVQ4572-QB-00A评估板测量二极管电压与温度的关系曲线（图2）。也可以直接从定制板上进行测量。在这里，重要的是要注意，二极管曲线的特性取决于温度，而不是PCB尺寸。

图2尺寸为8.9×8.9 cm的4层评估板用于测量二极管曲线特性。资料来源：单片电源系统

用PG体二极管测量结温

PG引脚具有一个带体二极管的内部N沟道MOSFET。为了准确测量结温，必须校准正向二极管的电压和温度。请按照以下步骤进行校准：

1.断开PG引脚上的任何电阻器，微控制器或其他部件的连接。

2.将温度传感器（例如4线PT1000）胶粘到要测试的设备包装的顶部。另一种方法是将浮动热电偶焊接在被测设备附近。建议将此热电偶焊接到GND。将温度传感器固定在包装上是一项艰巨的任务，因此请使用尽可能小的传感器。温度传感器不应充当小包装的散热器。使用导热胶将PT1000温度传感器固定到封装上，或者使用热电偶直接焊接到电路板上具有EMC安静电位的部分（图3）。

图3将热电偶焊接到PCB上。资料来源：单片电源系统。

3.将具有内置二极管测试功能和1 mA电流源的精密万用表连接到PG引脚，如图1和图5所示。可以使用较小的电流，但是系统在运行时必须具有相同的电流进行校准并进行测量。

4.测量气候室内的正向二极管电压与结温的关系。

5.当设备由低于所需输入电压（V IN）的电源电压供电时，测量二极管电压。确定哪些V IN值具有有效的校准，因为V IN会影响效率，因此也会影响器件温度。不要在DC / DC转换器输出上连接负载。

6.使用评估板或定制PCB进行测量。

7.关闭设备。

8.例如在25°C下启动气候箱，并确保外部温度传感器显示稳定的读数。

9.短暂打开设备，然后读取万用表上的电压。没有负载时，结温不应显着升高，因为结中的功率损耗很低（仅为几毫瓦）。如有可能，请使用高级异步模式（AAM），以确保在小负载下具有低静态电流。

10.关闭设备。

11.将气候室设置为下一个选定的温度，然后根据PCB的比热容和尺寸，使PCB温度稳定约20至30分钟。

12.将设备打开一小段时间，然后读取万用表上的电压。

13.再次关闭设备。继续为气候箱选择下一个温度。

14.在最大期望负载和最大环境温度下测量正向二极管电压。

在测量PG正向二极管电压时，请注意以下几点：

该校准电压相对于结温的斜率几乎是线性的。为了获得最高的精度，请使用更多的点和多项式拟合函数。检查校准的可重复性。

相同类型的设备具有相似的斜率，但偏移量通常不同。

相似的设备通常具有略微不同的斜率。

可能会产生副作用，例如V OUT的微小变化。不应将其视为故障，因为结内的耦合电流会引起此类影响。

这种测量方法的主要优点是，可以使用正向二极管电压来计算任何负载下的结温。

不需要温度传感器。

请注意，并非每个部分都可以使用PG引脚来测量电流。请与零件制造商联系以获取产品指导。

实测校准曲线

图4显示了具有线性拟合功能的一阶PG正向二极管电压与结温的关系曲线。PG二极管由外部1 mA电流源驱动，如图1所示。

图4 EVQ4572-QB-00A上测得的校准曲线具有线性拟合功能。资料来源：单片电源系统

通过测量二极管电压，可以使用公式1计算结温：

二极管和热像仪读数

表1给出了结温读数和热像仪之间的直接比较。使用铂电阻类型PT1000（28°C下为1,109Ω）测量环境温度。

表1将PG正向二极管温度读数与热像仪读数进行了比较。资料来源：单片电源系统

表1显示，测得的结温与封装PG二极管部分上的热像仪相当。相机方法显示出较低的温度，这是由于结点与封装顶表面之间的模塑料的热阻所致。

摄像机被调整到0.95的发射率，非常适合包装中的模塑料。组件之间的结温不一致。例如，管芯内部的PG部分比MOSFET部分更冷。图5显示了PG二极管部分和MOSFET部分。

图5 MPQ4572封装的框图重点介绍了MOSFET和PG部分。资料来源：单片电源系统

如图5和图10所示，小信号部分和功率MOSFET部分位于不同的位置。PG正向电压二极管测量PG位置的结温，因此必须将二极管温度与该位置的摄像机温度进行比较。由于MOSFET的温度升高了几度，因此必须在最大结温上加上很小的偏移量。

图6-13显示了对应于表1的相机测量值。这些测量值都是使用EVQ4572-QB-00A评估板获得的。

图6该图显示了当I LOAD = 0 mA时的测量结果。资料来源：单片电源系统

图7该图显示了当I LOAD = 10 mA时的测量结果。资料来源：单片电源系统

图8该图显示了当I LOAD = 100 mA时的测量结果。资料来源：单片电源系统

图9该图显示了当I LOAD = 500 mA时的测量结果。资料来源：单片电源系统

图10该图显示了当I LOAD = 1,000 mA时的测量结果。资料来源：单片电源系统

图11该图显示了当I LOAD = 1,500 mA时的测量结果。资料来源：单片电源系统

图12该图显示了当I LOAD = 2,000 mA时的测量结果。资料来源：单片电源系统

图13该图显示了当I LOAD = 2500 mA时的测量结果。资料来源：单片电源系统

关于图13所示的测量，值得注意的是，不建议持续使用2.5 A的电流。

这种直接的温度读数方法简化了设计工程师在无法使用热像仪的温度室中测试定制PCB时的过程。它可以实现快速，可靠和准确的结温数据，而无需进行复杂且通常需要大量工作的过程，例如将温度传感器固定在器件封装上。

Ralf Ohmberger是Monolithic Power Systems的应用工程师。

编辑：hfy