具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下通过具体实施例并参见附图,对本发明进行详细说明。
本发明提供一种建立在温度测量基础上,以实测数据作为温度保护设计、温度保护测试结果判断依据的方法。采用本发明方法,可以快速、准确、低成本、低风险的完成温度保护设计、测试。
本发明首先分析被保护对象可能存在的过热损坏原因并找出每种过热损坏原因下有可能出现过热损坏的位置,再分别查找这些可能过热损坏位置的材料资料,测量这些可能过热损坏位置在被保护对象各种工作模式下的温度阈值,得到这些可能过热损坏位置的温度数据,从而确定各种工作模式下的过热保护器件的待定设置位置及其温度阈值,然后将多个过热保护器件的待定设置位置进行优化,最终确定过热保护器件设置位置和保护触发温度。
本发明实施例的温度保护设计方法流程如图1所示,包括以下步骤:
步骤101:确定被保护对象的各个可能损坏位置,在各个可能损坏位置处设置温度检测装置。
可能损坏位置是指被保护对象上的某处位置,该处本身为发热源或是靠近发热源且耐高温能力差的器件或组件。
所述器件是指承受或可能承受电应力的元件;所述组件是指除器件外,用于固定、连接、隔离、散热等作用而使用的机械、结构等装置。其中,如电源开关管就是属于器件,如结构件就是属于组件。
所述温度检测装置为温度探头或可能损坏位置自带温度检测装置,一般为温度传感器。
步骤102:根据各个可能损坏位置的最高正常工作温度或最高耐受温度和预先设定的安全量,确定各个可能损坏位置的温度阈值。
所述最高正常工作温度是指:器件或组件本身正常工作才能保证其它器件或组件不损坏,超过最高正常工作温度温度,该器件或组件本身可能不损坏,但会损坏其它部分。
所述最高耐受温度是指:器件或组件本身没有正常工作的概念,超过最高耐受温度,就损坏了,比如塑料类结构件。
查找资料,确定可能损坏位置材料的最高正常工作温度或最高耐受温度。最高正常工作温度或最高耐受温度是各种材料的基本属性,在各种材料的使用说明上均会标注。
将可能损坏位置最高正常工作温度或最高耐受温度下浮预先设定的安全量,将下浮后的温度作为各个可能损坏位置的温度阈值。器件或组件的材质不同,需下浮的安全量可不一致。例如,某芯片结温150℃,可能会下浮5~20℃作为安全量,而某电容上限为85℃,可能会下浮5~10℃作为安全量。即对于任一可能损坏位置
温度阈值等于该可能损坏位置材料的最高正常工作温度或最高耐受温度减去该可能损坏位置的安全量
所述安全量是温度阈值与最高正常工作温度或最高耐受温度的差值。安全量大小的确定与使用对可靠性的要求、产品设计寿命要求、材料温度特性有关。具体如下:
材料(器件或组件)最高正常工作温度或最高耐受温度一般是由材料生产商提供。超过最高正常工作温度或最高耐受温度使用,将会带来损坏,一般都不考虑超温使用。按照失效理论,材料越接近温度极限值,其失效率就越高,按失效概率,材料的使用温度区间应尽可能远离温度极限值。而从成本考虑,使用越接近极限值(不超过极限值),其经济效益就越好,不同极限值的材料的价格存在差异。这两个要求是矛盾的,安全量越大,经济效益越差,可靠性越高;安全量越小,经济效益越好,可靠性越差。使用中必须在两者间找到一个平衡,这个平衡点就是实际使用环境,看使用是否更侧重于可靠性。
例如,若使用环境对可靠性要求不高,那么只需要将最高正常工作温度或最高耐受温度的3%、5%或8%作为安全量即可;若对可靠性要求较高,则可预留最高正常工作温度或最高耐受温度的10%、15%、20%作为安全量,若有特别要求,还可以考虑增加安全量。
另外一项需考虑的就是产品的设计使用寿命,要求使用寿命越长,安全量越大。
除这些通用考虑外,需根据材料温度特性进行考虑,一些材质中包含有液体和塑料的易老化材料需特别考虑,如电解电容,长期工作温度每升高10度,使用寿命将下降一半,类似材料就要增加安全量,避免长期工作在温度上限附近而导致材料迅速老化。
综上所述,安全量选取取决于三个因素:使用对材料可靠性的要求;材料使用寿命设计要求;材料的温度特性。
因此,对于不同的可能损坏位置材料,可根据实际的应用需要、参考上述三个因素预先设定合适的安全量,从而可以得到各个可能损坏位置的温度阈值。
步骤103:设置被保护对象工作在任意一工作模式,对被保护对象均匀、持续加热,直至任一温度检测装置首次检测到被检测可能损坏位置的温度达到其温度阈值时,则使被保护对象在所述温度阈值下持续工作的时间达到预先设定的时间长度;若被保护对象无损坏,则设定该可能损坏位置为该工作模式下过热保护器件的待定设置位置;测试其它可能损坏位置在被保护对象以所述温度阈值下持续工作时的温度并记录。
所述被保护对象的各种工作模式,如电子设备的各种输入电压:低压、额定、高压;散热装置工作情况:散热装置散热良好、散热装置散热异常、散热装置失效。
让被保护对象工作在各种工作模式中的任一工作模式i下时,在环境试验箱中对被保护对象均匀、持续加热,同时观察各个可能损坏位置温度,直至某一个可能损坏位置首先达到其温度阈值。在环境试验箱内持续升温被保护对象,均匀受热条件下,总会有一个可能损坏位置的温度第一个达到温度阈值,这个可能损坏位置记为k1,它的温度阈值记为t1。
让被保护对象在可能损坏位置k1的温度阈值t1下持续工作X小时,X为预先设定的时间长度,X的选取主要取决于被保护对象使用设计的应用分级,被保护对象使用按用途可分为家用、商业、工业、军用与及特殊应用等,可以对这几个应用环境设置对应的X值,不同应用环境下X的选取满足:
X家用<X商业<X工业<X军用<X特殊应用
例如,一般情况下,可取X<2小时。如果要求被保护对象多次达到过热保护器件的待定设置位置都能正常保护且不损坏,那么X就要增加;相应的,如果只要求很有限次数达到保护要求,那么X就可以减小。
按预先设定的时间长度持续工作时,如果被保护对象无损坏,确定可能损坏位置k1为所述工作模式i下的过热保护器件的待定设置位置p1,t1即为p1的温度阈值。
此时,即在工作模式i下,可能损坏位置k1的温度达到温度阈值t1,且按预先设定的时间长度持续工作,被保护对象无损坏时,同步测量并记录其它可能损坏位置在工作模式i下的温度,以作为步骤105中选择过热保护器件设置位置以及保护触发温度的参考温度数据。
在被保护对象的各种工作模式下都进行上述测试,从而得到被保护对象在各种工作模式下的过热保护器件的待定设置位置及其温度阈值,同时,也得到所有可能损坏位置在各种工作模式下出现过热保护器件的待定设置位置时的温度数据。
温度测量记录表如表1所示:
表1
例如,表1中先确定被保护对象的可能损坏位置若有n个,针对任一可能损坏位置,查找该可能损坏位置的最高正常工作温度或最高耐受温度,根据实际需要确定该可能损坏位置需要下浮的安全量,将最高正常工作温度或最高耐受温度下浮所述安全量,从而得到该可能损坏位置的温度阈值;
然后,设置被保护对象在工作模式1下,对被保护对象均匀、持续加热,假设可能损坏位置2首先达到其温度阈值80℃,使被保护对象在80℃下持续工作2小时,若被保护对象没有损坏,则确定可能损坏位置2为工作模式1下的过热保护器件的待定设置位置,80℃即为所述过热保护器件的待定设置位置的温度阈值,表1中勾选可能损坏位置2;同时,在工作模式1的“出现过热保护器件的待定设置位置时各个可能损坏位置温度”一栏记录其它可能损坏位置在工作模式1下的温度;同样地,对于其它所有工作模式,进行类似测试和记录。
较佳地,步骤103中所述使被保护对象在所述温度阈值下持续工作的时间达到预先设定的时间长度之后进一步包括,若被保护对象发生损坏,则分析损坏发生的原因,主要有三方面的原因,分别为:材料质量问题,或者,可能损坏位置温度数据设定错误,或者,遗漏了可能损坏位置。
若判明只是材料质量问题,即材料生产不合格,则更换材料、维修后继续测试;若发生损坏的点已是可能损坏位置,且材料质量没有问题,可以确认可能损坏位置的温度阈值设定错误,则根据可能损坏位置的最高正常工作温度或最高耐受温度、以及预先设定的安全量,重新设定该可能损坏位置的温度阈值;若发生损坏的点,材料质量没有问题,且不是已有可能损坏位置,则将该点列入可能损坏位置,重新进行测试。
步骤104:选择被保护对象的另一个工作模式,重复执行步骤103,直至选择完被保护对象的所有工作模式,得到各种工作模式下过热保护器件的待定设置位置、以及任一过热保护器件的待定设置位置处在各种工作模式下的测量温度。
步骤105:从所述各种工作模式下过热保护器件的待定设置位置中,选择至少一个过热保护器件的待定设置位置作为过热保护器件的设置位置,将选择的所述过热保护器件的待定设置位置在各种工作模式下的测量温度中最低的温度设定为过热保护器件的保护触发温度。
对于各种工作模式下的过热保护器件的待定设置位置,对各过热保护器件的待定设置位置中任一过热保护器件的待定设置位置以该过热保护器件的待定设置位置的温度阈值设置保护,这就能完成温度保护的设计。但在实际设计中,每一个过热保护器件的待定设置位置以其温度阈值设置过热保护器件是困难的,因为过热保护器件的待定设置位置是通过测试得到,事先难以准确预测到有多少个过热保护器件的待定设置位置,就难以准确预留足够位置;其次,并不是所有过热保护器件的待定设置位置都适合安装过热保护器件;最后,安装多个过热保护器件无疑会增加成本。所以,本发明在温度保护设计方法中将多个过热保护器件的待定设置位置优化为一个过热保护器件的待定设置位置,并在该过热保护器件的待定设置位置设置过热保护器件。
选取适合设置过热保护器件的过热保护器件的待定设置位置,首先查看过热保护器件的待定设置位置的位置材料容量是否容易设置温度检测装置,如变压器绕组线圈就不适宜设置温度检测装置;其次是过热保护器件的待定设置位置的空气流速,温度检测装置应设置在空气流速较低位置,避免受气流影响变化过快;最后就是过热保护器件的走线应选择电磁干扰较小的位置,避免电磁干扰对信号传输造成影响。
因此,根据上述参考因素找到至少一个适合设置过热保护器件的待定设置位置,确定该过热保护器件的待定设置位置为过热保护器件设置位置,在进行温度保护设计时,可以给该过热保护器件的待定设置位置预留设置过热保护器件的位置。一般只需选择一个适合设置过热保护器件的待定设置位置,但在大规模系统中,可根据需要选择多个适合设置过热保护器件的待定设置位置。
较佳地,为了选取到最佳的过热保护器件设置位置,步骤105中从所述各种工作模式下的过热保护器件的待定设置位置中选择至少一个过热保护器件的待定设置位置作为过热保护器件的设置位置,包括:
按照所有过热保护器件的待定设置位置处的温度阈值从低到高的顺序,依次判断所述温度阈值所对应的过热保护器件的待定设置位置是否适合设置过热保护器件,从中选择一个适合设置过热保护器件的位置。
所述选择一个适合设置过热保护器件的位置的方法为:
按照以下因素选取:有容置过热保护器件的空间、和/或空气流速低、和/或电磁干扰小。
将表1记录该过热保护器件的待定设置位置在各种工作模式下的测量温度中最低的温度设定为保护触发温度。各种工作模式下的可能损坏位置是相同的,因此,所有可能损坏位置中任一可能损坏位置在各种工作模式出现过热保护器件的待定设置位置时,都记录了该可能损坏位置的温度数据。当确定某一个过热保护器件的待定设置位置用于设置过热保护器件时,该过热保护器件的待定设置位置也是可能损坏位置之一,可以从表1中查看到该过热保护器件的待定设置位置在各种工作模式下的温度,将所述温度中的最低温度设定为保护触发温度。
例如,假设只有3种工作模式,工作模式1下的过热保护器件的待定设置位置为p1,其温度阈值为100℃,工作模式2下的过热保护器件的待定设置位置为p2,其温度阈值为110℃,工作模式3下的过热保护器件的待定设置位置为p3,其温度阈值为120℃;
按照温度阈值从低到高的顺序判断p1、p2、p3是否适合设置过热保护器件,首先判断p1,若p1适合设置过热保护器件,则在过热保护器件的待定设置位置p1处设置过热保护器件,其保护触发温度为100℃,此时,100℃就是p1在工作模式1、2、3下的温度中的最低温度;若p1不适合设置过热保护器件,则判断p2,若p2适合设置过热保护器件,此时,选择p2在工作模式1、2、3下的温度中的最低温度作为其保护触发温度,一般为p2在工作模式1下的温度,而不是110℃。用最容易触发的一个点替代所有的点,虽然有3个过热保护器件的待定设置位置,但选取p1或p2,或同时选取p1、p2,并以其在各种工作模式下的测量温度中的最低温度设置保护,就同时保护了所有可能损坏位置,与同时在p1、p2、p3设置过热保护器件的保护效果是相同的。
本发明的温度保护设计方法思路通俗一些的说法就是通过测量的方式找到木桶理论中的短板。而在寻找短板的过程中,采用合理方式不让水溢出,因为溢出就损坏了样品。在被保护对象的各种工作模式下,桶的形状不一样,所以每一种形状都各有一个短板,在设计时,寻找所有短板中最短的那一块。
本发明实施例的温度保护测试方法分两种情况:
对于采用本发明的温度保护设计方法设计的被保护对象,温度保护测试只需验证过热保护器件在温度达到保护触发温度时可以动作即可,采用如下步骤:
将过热保护器件加热到保护触发温度,若过热保护器件在其温度达到保护触发温度时动作,则测试通过。
对于不是采用本发明的温度保护设计方法设计的被保护对象,温度保护测试方法流程如图2所示,包括以下步骤:
步骤201:确定被保护对象的各个可能损坏位置,在各个可能损坏位置设置温度检测装置。
将被保护对象上为发热源或靠近发热源且耐高温能力较差的器件或组件选定为所述被保护对象的各个可能损坏位置。
所述被保护对象的各个可能损坏位置进一步包括已设置过热保护器件的位置;
所述在各个可能损坏位置设置温度检测装置,包括:
在各个可能损坏位置中除已设置过热保护器件的位置之外的其它位置均设置温度检测装置。
步骤202:根据各个可能损坏位置的最高正常工作温度或最高耐受温度和预先设定的安全量,确定各个可能损坏位置的温度阈值。
所述根据各个可能损坏位置的最高正常工作温度或最高耐受温度和预先设定的安全量,确定各个可能损坏位置的温度阈值,包括:
各个可能损坏位置中任一可能损坏位置的温度阈值等于该可能损坏位置的最高正常工作温度或最高耐受温度减去该可能损坏位置的安全量;
所述可能损坏位置的安全量根据可能损坏位置材料的使用寿命设计要求、温度特性、以及可靠性要求设定。
步骤203:设置被保护对象在任意工作模式,对被保护对象均匀、持续加热,直至任一温度检测装置首次检测到被检测可能损坏位置的温度达到其温度阈值,使被保护对象在所述温度阈值下持续工作的时间达到预先设定的时间长度,若被保护对象无损坏,则测试通过,若被保护对象出现损坏,则测试不通过。
相对于现有设计、测试方法,本发明的温度保护设计方法,通过测量温度方式得到过热保护器件设置位置和保护触发温度,不再使用计算机模拟软件进行模拟,避免了昂贵的模拟软件购买成本、专业的软件使用人员培养,也避免了使用模拟软件导致的建模困难。由于是采用实际测试,相比计算机软件模拟反而提高了精确度。
本发明是建立在数据测量的基础上,通过测量温度方式得到过热保护器件设置位置和保护触发温度,避免了凭经验设计和估算导致的不准确。由于是对数据进行判断而不是靠经验,对设计、测试人员经验要求较低,具有更加良好推广价值。
通过测量温度方式得到过热保护器件设置位置和保护触发温度,可以将温度保护设计和测试统一起来,避免了重复工作,加快了产品推出进度。
此外,进行温度保护测试时,是在可控范围内进行,有效控制了风险,使受测试样品损坏可能性大为降低,有效避免了受试样品损坏引起的成本、时间损失。
温度保护设计中使用过热保护器件少于多种工作模式下过热保护器件设置点总数,且合理选择过热保护器件安装位置,可降低温度保护设计难度、降低成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明保护的范围之内。