최상의 시스템 성능을 구현하기 위한 PWM IC의 온도 경감
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최상의 시스템 성능을 구현하기 위한 PWM IC의 온도 경감
  • 김의겸
  • 승인 2009.02.05 00:00
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전력용 반도체 기술 동향
글 : 서레스 카리야단 / 전략 애플리케이션, 테크니컬 스태프 시니어 멤버맥심 / www.maxim-ic.comIC 평가 단계 동안 최종 사용 환경은 잘 알 수 없는 경우가 많으며 환경은 애플리케이션마다 많은 차이가 있을 수 있으므로 MOSFET이 내장된 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러 IC 데이터 시트에는 온도 경감 그래프가 제공된다. 많은 휴대용 시스템이 대류 흐름에 의존하고 공기 흐름을 향상시켜 주는 팬을 내장하지 않기 때문에 휴대용 애플리케이션에서 온도 경감을 이해하는 것은 특히 중요하다.주어진 공기 흐름과 주변 온도에서 경감 곡선은 칩으로부터 소비할 수 있는 전력의 크기를 보여준다. 애플리케이션에서 PWM 컨트롤러가 과부하되지 않도록 하기 위해 EV 보드 위에 온도 경감 박스를 제작할 수 있다. 내부에 팬이 내장된 이 물리적 박스는 박스 내의 공기 흐름을 균등하게 하고 공기 흐름을 보정할 수 있다. 또한 이 박스는 EV 보드의 PWM 칩에 대한 온도 경감을 평가하는 실용적인 방법을 제공한다. 이 글에 사용된 예에서 테스트 결과는 실제 동작 조건과 가깝게 일치하는 것을 보여준다.일정한 종류의 표준화된 환경 제어를 사용하지 않을 경우 다양한 벤더와 패키지로부터 얻은 테스트 결과는 서로 일치하지 않는다. 한 가지 방법은 실제로 서로 다른 주변 온도와 공기 흐름 조건에서 모듈의 열 성능을 측정한 다음 그 결과를 제공하여 설계자가 애플리케이션에 맞춰 적합한 온도 경감을 선택할 수 있도록 하는 것이다. 히트싱크를 포함한 모듈의 주어진 크기와 주어진 공기 흐름에서 소비할 수 있는 최대 전력은 물리적 열 특성에 의해 제한되기 때문에 열 성능은 예측할 수 있다. 이러한 성능은 최종 애플리케이션을 위한 적합한 종류의 모듈을 선택하는 기초로 사용할 수 있다.실제 테스트를 수행하기 위해 표준 온도 경감 박스를 제작할 수 있다(그림 1). 박스 주위에 충분한 간격을 유지하고 박스 내에 최대 크기의 EV 보드를 실장할 수 있도록 박스 크기를 조정할 수 있다. 박스의 선형 치수는 최소 1피트×1피트가 되어야 한다. 박스의 높이는 박스 내부에 팬을 실장할 수 있도록 3인치로 설정되었다. 2개 이상의 팬을 사용하여 박스 내부의 공기 흐름을 균등하게 할 수 있다. 박스에 사용되는 재료는 낮은 열 전도성을 가져야 한다. 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 또는 글래스 에폭시 시트를 사용할 수 있다. 단단한 박스를 형성할 수 있도록 두께는 최소 3.2mm가 되어야 한다.이 박스는 열 챔버 내에 수평으로 놓아야 한다. 박스는 평균 공기 흐름 검침계를 사용하여 박스의 앞쪽에서 공기 흐름을 측정해 보정할 수 있다(그림 2). 공기 흐름 측정은 박스 내부의 균등한 공기 흐름을 보장하기 위해 왼쪽, 중앙, 그리고 오른쪽에서 실시한다. 또한 모듈을 박스 내에 둘 때 팬은 모듈과 최소 2인치 떨어지게 배치해야 한다. 공기 흐름은 전압 제어 가변 속도 팬을 사용하여 전압을 증가 또는 감소시켜 조정할 수 있다.PWM IC의 열 성능은 표준 EV 보드를 사용하는 것으로부터 시작한다. 이 보드는 박스 내에 편리하게 배치할 수 있도록 더 큰 보드 위에 실장할 수 있다. 더 큰 보드는 박스의 바닥으로부터 최소 1인치가 올라와야 한다. 이렇게 하면 공기 흐름이 보드 아래에서 균등하게 유지된다.온도 경감을 수행하기 위해 박스를 오븐 안에 배치한 다음에는 오븐의 공기 흐름이 온도 경감 박스 내부의 공기 흐름에 영향을 미치는지 결정해야 한다. 박스의 공기 흐름에 영향을 미치지 않는 경우 테스트 용기 위에 더 큰 박스를 올려놓아 박스 내부에 균등한 온도를 유지한다. 한 가지 방법은 박스 팬의 공기 흐름이 오븐 공기 흐름에 직각이 되도록 온도 경감 박스를 실장하는 것이다. 이렇게 하면 간섭이 최소화된다.박스를 조립하기 위해 일반 패스너와 접착제를 사용할 수 있다. 접착제가 오븐의 높은 온도를 견딜 수 있는지 확인한다. 서모커플은 IC의 기하학적 중앙에 놓을 수 있다. 서모커플을 IC에 부착할 때는 서모커플이 히트싱크가 되지 않도록 해야 하므로 많은 주의가 필요하다. 가장 좋은 방법은 최소한의 양의 열 에폭시를 사용하여 서모커플 와이어를 IC에 부착하는 것이다.서모커플 출력을 측정하는 검침계는 온도 읽기가 IC에 인가되는 전압에 의해 영향을 받지 않도록 하기 위해 전기적으로 부동 상태가 되어야 한다. 서모커플 와이어 크기는 AWG30이나 이보다 더 작을 수 있으며 와이어는 공기 흐름과의 간섭을 최소화하도록 라우팅해야 한다. 전력 및 테스트하는 보드의 다른 모든 와이어에도 동일한 사항이 적용된다.EV 보드를 온도 경감 박스 내에 실장한 상태에서 공기 흐름 검침계를 사용하여 박스를 보정할 수 있다. 표 1과 2는 보정 데이터를 보여주며 데이터의 그래프는 그림 3a와 3b에 각각 나와 있다. 거의 균등한 공기 흐름이 박스 내부에서 측정된다. 일단 박스가 준비되면 EV 보드를 테스트 보드 위에 실장하고 열 챔버 내에 모든 것을 놓는다. 열 평형에 도달하도록 챔버를 일정 시간 동안 실행한다. 그런 다음 EV 보드를 실장하여 온도 읽기가 안정화될 때까지 일정 시간 동안 실행한다. 5분 간격으로 취한 2개의 판독치가 0.2°C 이상 변하지 않으면 열평형에 도달했다고 가정할 수 있다. 공기 흐름이 없을 때 온도 경감은 특히 높은 IC 온도와 높은 전력 레벨에서 자연 대류가 불안정하므로 결정하기가 더 어렵다.테스트 박스의 성능을 검증하기 위해 실험을 수행하여 2개 맥심 PWM IC인 MAX15035 및 MAX8686에 대한 열 성능을 측정했다. 테스트 결과는 각각 그림 4a와 4b에 나와 있다. MAX15035는 스위치가 내장된 15A 스텝다운 레귤레이터이고 MAX8686은 위상 당 최대 25A를 공급할 수 있는 단상/다상, 스텝다운, DC-DC 컨버터이다. MAX15035 EV 보드는 2.4in×2.4in(2Oz 구리)의 4레이어 보드이며 MAX8686 보드는 3.5in×3.0in(2Oz 구리)의 6레이어 보드이다. 설계자는 이러한 실제 데이터를 이용하여 애플리케이션에 필요한 온도 경감을 보다 정확하게 결정할 수 있으며, 이를 통해 동작 환경 조건을 기준으로 보다 용이하게 적합한 부품을 선택할 수 있다.

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