三端集成穩壓器穩態熱阻測試方法的探究

梅青

摘 要：三端集成穩壓器產品自問世以來，由于難以將器件的熱敏感參數與器件的結溫建立相應的函數關系，所以不能像二極管或三極管一樣通過PN結的正向與結溫的線性關系來測試三端集成穩壓器產品的穩態熱阻;由于不能有效測試三端集成穩壓器產品的熱阻，所以在產品的生產試驗過程中，不能夠準確地判斷出產品的額定功率和工作結溫。本文通過在三端集成穩壓器內部電路尋找與器件結溫呈線性關系的熱敏感參數，然后采用與二極管類似的測試方法對三端集成穩壓器的熱阻進行測試。

關鍵詞：集成穩壓器;穩態熱阻;熱敏感系數

0 引言

三端集成穩壓器產品在電源系統中有著廣泛的運用，其具有使用方便、性能可靠等優點。三端集成穩壓器產品是一種功率器件，同時其器件本身內設過熱保護功能，如果三端集成穩壓器產品的功率加載過大，則容易使器件的結溫超過器件本身的過熱保護工作點，器件在高溫環境中工作時更容易觸發其過熱保護功能。所以為了保證集成穩壓器器件的正常工作，設計時必須要根據器件的額定功率設計其器件本身的功率，否則將導致器件不能正常工作。

半導體器件的額定功率，可見如果器件的熱阻越大，其額定功率越小，越不利于產品的散熱。

所以在三端集成穩壓器產品研制生產過程中，應該盡可能控制器件的熱阻越小越好，但是在實際生產過程中，由于難以將器件的熱敏感參數與器件的結溫建立相應的函數關系，所以集成穩壓器熱阻測試相較于二極管等器件較難;通過查閱資料[1]，德州儀器公司提供了一種通過器件的過熱保護模塊功能測試穩壓器熱阻的方法，通過該方法確實能測的集成穩壓器的熱阻，但操作性不強。

為了找到一種便于操作的測試方法，筆者通過參考二極管穩態熱阻測試方法，探究了一種測試集成穩壓器產品熱阻的方法。

1 二極管穩態熱阻測試方法

硅二極管的正向壓降VF與PN結溫度TJ在一定的溫度范圍內呈線性關系，所以△VF與△TJ是的比值是一個常數，這個常數稱為溫度系數，用符號K表示，可得公式：

（2）式中TA可以直接測出（一般按環境溫度25℃計算），P可以根據通過測量二極管兩端的VF和流過二極管的電流I得到，而比較難以測量的就是二極管的結溫TJ，通過（1）式中，便可以將TJ的測試轉換為VF的測試，這就變得容易許多。

所以測試二極管的熱阻時，只需要測試正向壓降變化量和K系數就可以很容易測試。

2 集成穩壓器K系數的確定

參考二極管穩態熱阻的測試方法，如果欲通過同樣的方式測試集成穩壓器的穩態熱阻，最關鍵的是找到與溫度呈線性關系的熱敏電壓值。

以CW78XX產品為例，用萬用表測量集成穩壓器某兩個引腳之間的壓降（常見的是GND—VIN之間），往往能得到0.6V左右之間的電壓值（筆者將該電壓記為VFGI），類似于測到PN結的正向導通壓降。基于這一現象，筆者認為可以嘗試采用GND—VIN之間壓降作為溫度敏感參數進行集成穩壓器的熱阻測試。

結合CW78XX產品的電原理圖（如下圖1所示），明確GND—VIN之間的壓降主要是二極管DZ1和電阻R4的壓降，如果將R4當作DZ1的內阻，完全可以將其等效為一個二極管模型進行考慮;

利用T3Ster設備測試VFGI隨溫度的變化值，筆者發現VFGI與溫度呈線性關系變化;如下圖2所示;

筆者測量了2只CW7810和3只CW7812的VFGI—T的關系，其系數K值依次如下表1所示;

結合上述測試結果，可見采用GND-VIN之間的壓降VFGI作為集成穩壓器的溫度敏感參數是可行的。

3 集成穩壓器穩態熱阻的測試

當明確了溫度敏感參數后，便可根據溫度敏感參數確定器件工作時的TJ，再根據熱阻的定義，就可以得到三端集成穩壓器的穩態熱阻為：

所以，欲測試集成穩壓器的熱阻，除了找到熱敏感參數外，還需要在集成穩壓器上加載功率，并在加載功率達到穩態后測量VFGI2;

根據三端集成穩壓器應用的相關知識，欲在三端集成穩壓器上加載功率需要在穩壓器的輸入端加載大于輸出電壓至少2V的輸入電壓，同時，在輸出端和接地端之間加載負載，此時要在加電的同時（或斷電瞬間）測試VFGI是比較困難的，現有的設備T3Ster不能滿足這樣的加電要求。所以筆者退而求其次，采用另一種加載功率的方式。

在上述文中已經提過，三端集成穩壓器的GND-VIN之間相當于二極管與電阻的串聯，所以在加載功率時足以可以通過該二極管加電對芯片進行加功率。加電電路如下圖2所示;當采用該方式對芯片進行加載功率時，便可采用T3Ster設備進行測試。

圖2中IF為加熱電流，IM為VFGI采樣電流，測試時要求>>，IF工作時，IM斷開，到達穩態時，IF停止加電，IM開啟，通過電壓表測試此時的電壓即為VFGI。

利用該方式，筆者測試了CW7810的熱阻，得到其典型熱阻曲線如下圖3所示;

筆者測試了不同封裝、不同型號的三端集成穩壓器產品的Rth（j-a），得到其不同的熱阻值如下表2所示;

從表2看，TO-220封裝的三端集成穩壓器結到環境的穩態熱阻值小于TO-257（或TO-257A）封裝的結到環境穩態熱阻值。筆者分析是因為TO-220封裝的產品，熱量除了從底座散熱外，還可以從周圍的塑料散熱，而TO-257或TO-257A封裝產品，散熱主要依靠底座散熱，因其器件內部為氮氣，氮氣的散熱效果遠遠比不上塑料封裝的塑封料，所以造成TO-220封裝的三端集成穩壓器熱阻小于TO-257封裝的熱阻。

4 不足與展望

從上述測試熱阻方法可以看到，在對三端集成穩壓器產品進行加功率時，僅僅是通過對其芯片內部某一個位置進行加功率，這就造成芯片發熱位置可能為一個點;而三端集成穩壓器正常工作時，其功率主要耗散在功率調整管上，由于功率調整管面積較大，所以可以看成是芯片上的大部分區域均發熱，兩者之間還是存在一定差異的。所以這就體現了上文中熱阻的測試方法只能作為一種參考，可能并不能精確反映集成穩壓器的熱阻情況。

基于上述測試方法存在的不足，筆者也提供了另外一種測試方法的理論分析;根據三端集成穩壓器應用的相關知識，理論上可采用如下圖4電路進行集成穩壓器的熱阻測試;

在圖4電路中，IM為測試VFGI的測試電流（一般特別小），電壓表上測得的電壓即為集成穩壓器的VFGI。開關S先接到觸點2，采集得到初始狀態下的VFGI1，然后將開關S接到觸點1，此時集成穩壓器正常工作，其功率P=（VIN-VO）×IL，當集成穩壓器工作一段時間后，集成穩壓器的結溫達到穩定，此時將開關S立即接到觸點2，采集得到更高結溫下的VFGI2;然后根據式（5）便可得到集成穩壓器的熱阻Rth（j-a）。

但是由于圖4中的測試方法在T3Ster上難以實現供電，所以本文中目前尚未采用該方法進行測試試驗;

5 結論

測量三端集成穩壓器穩態熱阻的重點主要有兩點：一是找到適當的溫度敏感參數，并測試其敏感系數;二是給三端穩壓器加載功率的同時測試其溫度敏感參數的變化值;本文通過試驗和理論分析確定了CW78XX穩壓器的溫度敏感參數可以采用GND-VIN之間的壓降VFGI，同時通過對內部二極管加電的方式測試了部分集成穩壓器的熱阻，對研制和生產過程中分析集成穩壓器的性能提供了一定的參考意義。

參考資料

[1]http：//wdu.21dianyuan.com/mobile/video_paly？vid=347

[2]T3Ster中文指南，上海坤道信息技術有限公司