PL206218B1 - Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego, pracującego w konfiguracji przetwornicy BOOST, mający zastosowanie przy kontroli jakości elementów półprzewodnikowych dla przemysłu elektronicznego.

Znane są z amerykańskiego opisu patentowego nr 4.840.495 „Metoda i urządzenie do pomiaru rezystancji termicznej takich elementów jak układy scalone LSI. Znana metoda polega na tym, że rezystancję termiczną określa się na podstawie pomiaru różnicy temperatur między obiema stronami układu scalonego przy przepływie przez niego strumienia ciepła o znanej wartości. Znany układ pomiarowy składa się ze źródła ciepła, źródła zimna, badanego układu, miernika różnicy temperatur oraz układu sterującego.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest złożona konstrukcja źródeł ciepła i zimna oraz wykonywanie pomiaru w nietypowych warunkach pracy układu scalonego.

Znana jest z amerykańskiego opisu patentowego nr 5.027.064 „Metoda pomiaru temperatury pracy przyrządów półprzewodnikowych wraz z monitorowaniem charakterystyk częstotliwościowych. Znana metoda pomiaru wykorzystuje jako parametr termoczuły małosygnałowe wzmocnienie badanego elementu.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest mała powtarzalność charakterystyki termometrycznej oraz brak możliwości pomiaru rezystancji termicznej znanych układów scalonych.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr 5.781.075 „Przyrząd do pomiaru temperatury, składający się z dwukońcówkowego czujnika, do którego końcówek dołączone są źródło prądu polaryzującego oraz źródło napięciowe, przy czym wydajności tych źródeł są programowane układowo. Czujnik zawiera spolaryzowane przewodząco złącza półprzewodnikowe umożliwiające pomiar temperatury otoczenia.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest możliwość pomiaru tylko temperatury otoczenia, bez możliwości wyznaczenia temperatury wnętrza elementu półprzewodnikowego.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 120.091 „Sposób pomiaru rezystancji termicznej monolitycznych półprzewodnikowych układów scalonych, który polega na wyznaczeniu wartości rezystancji termicznej z jej definicji po pomiarze temperatury wnętrza układu przy wykorzystaniu napięcia na diodzie podłożowej przy wydzielaniu mocy w obszarze kolektora tranzystora bipolarnego zawartego w strukturze badanego układu scalonego.

Niedogodnością znanego sposobu jest możliwość zastosowania go tylko do bipolarnych układów scalonych z izolacją złączową.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 132.113 „Sposób pomiaru rezystancji termicznej tranzystorów bipolarnych polegający na pomiarze dwóch wartości napięcia baza-emiter przy dwóch wartościach napięcia kolektor-emiter i ustalonej wartości prądu kolektora oraz temperatury otoczenia, a nastę pnie wyliczeniu wartoś ci rezystancji termicznej wedł ug znanego wzoru.

Niedogodnością znanego sposobu jest mała dokładność pomiaru spowodowana nieuwzględnieniem w metodzie wpływu rezystancji szeregowych bazy i emitera na napięcie baza-emiter.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 173.206 „Sposób pomiaru rezystancji termicznej diod półprzewodnikowych ze złączem p-n w zakresie przebicia, polegający na pomiarze napięcia na diodzie pracującej w zakresie przebicia przy dwóch wartościach temperatury otoczenia i ustalonej wartości prądu, a następnie wyliczeniu wartości rezystancji termicznej według znanego wzoru.

Niedogodnością znanego sposobu jest ograniczony zakres punktów pracy diod, dla których można wykonać pomiar oraz konieczność wykonania jednego z pomiarów napięć natychmiast po przełączeniu sygnału zasilającego badaną diodę.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 173.831 „Układ do pomiaru przejściowej impedancji termicznej tranzystora bipolarnego, w którym emiter tranzystora pracującego w układzie wspólnej bazy jest połączony z wyjściem źródła małego prądu oraz z wyjściem źródła prądu grzejnego poprzez przełącznik, który jest sterowany sygnałem prostokątnym gt. Tranzystor jest usytuowany w termostacie, a kolektor jest połączony z wejściem źródła napięciowego.

Niedogodnością znanego układu jest ograniczenie zastosowania go tylko do tranzystorów bipolarnych pracujących w zakresie aktywnym normalnym.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 187.668 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego układu scalonego mocy.

PL 206 218 B1

Znany sposób pomiaru obejmuje trzy etapy: kalibrację charakterystyki termometrycznej złącza p-n, zawartego w strukturze wyjściowego tranzystora MOS przy jednej wartości temperatury otoczenia oraz przy prądzie wymuszonym przez źródło prądu pomiarowego lM i wyznaczenie nachylenia tej charakterystyki F, pobudzenie badanego układu scalonego falą prostokątnego mocy i pomiar w stanie ustalonym wartości napięcia UAH w węźle napięciowym A przy wysokim poziomie mocy i napięcia UAL przy niskim poziomie mocy oraz wyznaczenie wartości rezystancji termicznej ze wzoru analitycznego.

Niedogodnością znanego sposobu jest konieczność pobudzania badanego układu scalonego mocą o kształcie fali prostokątnej, przez co niemożliwy jest pomiar tą metodą rezystancji termicznej regulatorów impulsowych w ich typowych warunkach zasilania.

Znany układ pomiarowy zawiera źródła prądu pomiarowego i grzejnego, dwa przełączniki, wzmacniacz pomiarowy, przetwornik A/C oraz komputer. W czasie realizacji pomiaru, na wejście sterujące badanego układu scalonego podawane są odpowiednie sygnały cyfrowe, których sekwencja jest zależna od typu badanego układu scalonego.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest ograniczenie zakresu stosowalności znanej metody tylko do układów scalonych typu SMART-POWER.

Znane są z polskiego opisu patentowego nr 191.944 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej elementów półprzewodnikowych zawierających złącze p-n.

W znanym sposobie pomiar wykonywany jest w trzech etapach. Pierwszy etap obejmuje pomiary współrzędnych czterech punktów leżących na izotermicznych charakterystykach spolaryzowanego w kierunku przewodzenia złącza p-n, zawartego w badanym elemencie, drugi etap polega na pomiarze współrzędnych jednego punktu na nieizotermicznej charakterystyce tego złącza, w trzecim etapie obliczana jest wartość rezystancji termicznej przy wykorzystaniu znanego wzoru.

Znany układ pomiarowy zawiera badany układ scalony, wzmacniacz pomiarowy, przełącznik, źródło prądu pomiarowego i grzejnego, przetwornik A/C oraz komputer.

Niedogodnością znanego sposobu jest skomplikowana i czasochłonna procedura pomiarowa oraz konieczność pracy badanego układu scalonego w nietypowych dla niego warunkach zasilania.

Znane są z polskiego opisu patentowego nr 194.602 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonych regulatorów zasilaczy impulsowych.

Znany sposób obejmuje trzy etapy: pomiar napięcia na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n zawartym w bloku oscylatora przy odłączonym zasilaniu badanego regulatora i w ustalonej temperaturze otoczenia. W drugim etapie mierzy się w stanie ustalonym, przy włączonym zasilaniu regulatora, napięcie na tym samym złączu oraz napięcie i prąd zasilania regulatora w tej samej temperaturze otoczenia. W trzecim etapie wylicza się wartość rezystancji termicznej przy użyciu znanego wzoru.

Znany układ zawiera badany regulator, zawierający oscylator ze złączem p-n, którego katoda jest uziemiona, a anoda połączona z woltomierzem i źródłem prądu pomiarowego. Wyprowadzenie zasilania regulatora połączone jest z amperomierzem. Przełącznik łączy lub rozłącza amperomierz ze źródłem zasilania. Źródło prądu pomiarowego polaryzuje w kierunku przewodzenia złącze p-n zawarte w oscylatorze badanego regulatora. Napię cie na tym złączu mierzone jest przez woltomierz.

Niedogodnością znanej metody jest konieczność przełączania układu zasilania badanego regulatora, co utrudnia jego badania w typowym układzie aplikacyjnym.

Znane są z polskiego opisu patentowego nr 197.351 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonych regulatorów PWM.

Znany układ zawiera zasilacz napięciowy, który poprzez amperomierz połączony jest z wejściem zasilającym badanego regulatora i woltomierz połączony równolegle z wejściem zasilającym regulatora, natomiast oscyloskop cyfrowy jest połączony z wyjściem regulatora, umieszczonego w termostacie.

W znanym sposobie pomiar rezystancji termicznej odbywa się dwuetapowo, przy czym pierwszy etap realizowany jest przy zmianach temperatury termostatu i wymaga pomiaru czasu trwania impulsu na wyjściu regulatora PWM natychmiast po włączeniu zasilania regulatora, natomiast drugi etap realizowany jest w stanie ustalonym. W etapie tym mierzone są napięcie i prąd zasilania oraz czas trwania impulsu. Po odczytaniu z charakterystyki termometrycznej wartości temperatury wnętrza odpowiadającej czasowi trwania impulsu, wartość rezystancji termicznej stanowi iloraz nadwyżki temperatury wnętrza elementu ponad temperaturę otoczenia przez iloczyn napięcia zasilającego oraz prądu zasilania, przy czym wartość temperatury wnętrza jest odczytywana z charakterystyki termometrycznej dla czasu trwania impulsu wyznaczonego w drugim etapie pomiaru.

PL 206 218 B1

Niedogodnością znanego sposobu jest ograniczenie zakresu jego stosowalności wyłącznie do scalonych regulatorów PWM.

Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr P 277168 „Sposób pomiaru rezystancji termicznej scalonych układów cyfrowych TTL i CMOS polegający na wydzielaniu mocy o dwóch wartościach określonych przez dwie wartości obciążenia włączonego między wyjście bramki a zasilanie. Pomiar temperatury wnętrza jest realizowany za pośrednictwem występującej na dowolnym wejściu bramki, przewodząco spolaryzowanej diody, przez którą płynie prąd o ustalonej wartości.

Niedogodnością znanego sposobu jest możliwość pomiaru rezystancji termicznej tylko podstawowych bramek TTL i CMOS.

Znane są z japońskiego opisu patentowego JP 2004.317.432 „Regulator temperatury elementów półprzewodnikowych oraz urządzenie do badań elementu półprzewodnikowego.

Znany regulator jest przeznaczony do skutecznego zapewnienia równomiernego rozkładu temperatury wewnątrz elementu półprzewodnikowego z kablem. Do regulacji tej wykorzystuje doprowadzany z zewnątrz płyn o ustalonej temperaturze, który przez doprowadzenia jest wprowadzany do struktury półprzewodnikowej elementu i w ten sposób utrzymuje jej stałą temperaturę.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest brak możliwości zmierzenia wartości rezystancji termicznej.

Istotą wynalazku jest sposób pomiaru rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego pracującego w konfiguracji przetwornicy BOOST, wykorzystujący w charakterze parametru termoczułego napięcie na diodzie podłożowej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia prądem lM, realizowany w trzech etapach, obejmują cych wyznaczenie nachylenia F charakterystyki termometrycznej, pomiar napięcia na diodzie podłożowej w czasie kalibracji UAK oraz w stanie ustalonym UAL i obliczenie wartości rezystancji termicznej Rth ze wzoru analitycznego. Sposób charakteryzuje się tym, że w drugim etapie pomiaru badany regulator pracuje w układzie aplikacyjnym i generuje impulsowy przebieg mocy, a wartość mocy PH występującej we wzorze końcowym metody wyznaczana jest przez uśrednianie iloczynu zmierzonych przebiegów czasowych napięcia i prądu na zaciskach półprzewodnikowego elementu kluczującego mocy, zawartego w strukturze badanego regulatora. Wartość rezystancji termicznej Rth, obliczana jest ze wzoru th ^UAL ^UAK

P - U I

H AL M

Korzystnym skutkiem zastosowania sposobu według wynalazku jest wyznaczenie rezystancji termicznej w typowych warunkach pracy mierzonego układu scalonego.

Istotą wynalazku jest układ, zawierający termostat, oscyloskop cyfrowy, przetwornik analogowo-cyfrowy i komputer. Układ ten charakteryzuje się tym, że źródło napięcia wejściowego połączone jest z wejściem badanego regulatora za pośrednictwem półprzewodnikowego przełącznika mocy, sterowanego sygnałem cyfrowym z komputera. Do wejścia badanego regulatora jest podłączone także źródło ujemnego napięcia przez rezystor oraz wejście przetwornika analogowo-cyfrowego. Do zacisków, zawartego w strukturze badanego regulatora, półprzewodnikowego elementu kluczującego są podłączone wejścia dwukanałowego oscyloskopu cyfrowego, rezystor oraz elementy układu aplikacyjnego badanego regulatora. Oscyloskop cyfrowy i przetwornik analogowo-cyfrowy podłączone są do komputera sterującego.

Korzystnym skutkiem zastosowania układu według wynalazku jest możliwość wykonania pomiaru rezystancji termicznej scalonego impulsowego regulatora napięcia przy typowych dla niego warunkach obciążenia i zasilania.

Przedmiot wynalazku wyjaśnia przykład wykonania sposobu pomiaru rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego, pracującego w układzie przetwornicy BOOST.

Pomiar realizowany jest w trzech etapach. W pierwszym etapie pomiaru, przełącznik 3 jest rozwarty. Wówczas kalibruje się charakterystykę termometryczną diody DP zawartej w badanym regulatorze 2 przy zadanej stałej temperaturze otoczenia TA, utrzymywanej przez termostat i przy prądzie o małej wartości lM wymuszonym przez źródło napię ciowe 4 i rezystor 5. Przetwornik analogowo-cyfrowy mierzy wartość napięcia UAK na wejściu regulatora. Wartość nachylenia charakterystyki termometrycznej F określa się jako różnicę ilorazu różnicy wartości napięcia UAK w czasie kalibracji oraz napięcia Ugo odpowiadającego szerokości przerwy energetycznej krzemu w temperaturze zera bezPL 206 218 B1 względnego przez temperaturę otoczenia TA oraz iloczyn liczby 1,5 i ilorazu stałej Boltzmanna k przez ładunek elektronu q, co wyraża następujący wzór:

F= ^UAK ^Ugo_ _ 15 _ ^k

W drugim etapie pomiaru przełącznik 3 sterowany jest sygnał em prostoką tnym o okresie równym 1 sekundzie i wypełnieniu bliskim jedności. Gdy przełącznik 3 jest zwarty, badany regulator 2 pracuje w typowym układzie pracy stabilizatora impulsowego z przetwornicą BOOST. Wówczas w badanym regulatorze 2 wydziela się moc elektryczna o przebiegu impulsowym, która powoduje wzrost temperatury wnętrza regulatora. Praktycznie cała moc wydzielana w regulatorze 2 jest tracona w zawartym w strukturze badanego regulatora 2 pół przewodnikowym przełączniku mocy Sw, a kształ t czasowego przebiegu tej mocy jest bardzo nieregularny. Dlatego w proponowanej metodzie wyznaczana jest wartość mocy grzejnej przez uśrednienie iloczynu czasowych przebiegów napięcia i prądu na przełączniku Sw. Prąd ten wyznaczany jest jako iloraz napięcia na rezystorze 6 i rezystancji tego rezystora. Przebiegi obu napięć są wyznaczane za pomocą oscyloskopu cyfrowego. Gdy przełącznik 3 jest rozwarty, przez diodę podłożową DP płynie prąd o wartości równej prądowi kalibracji zdeterminowanej przez wydajność źródła napięciowego 4. W czasie przepływu prądu pomiarowego mierzona jest wartość napięcia UA na wejściu badanego regulatora. Przełącznik 3 na przemian jest zwarty lub rozwarty. Drugi etap kończy się, gdy zmierzone podczas ostatniej minuty wartości napięcia UA na wejściu regulatora 2, odpowiadające przepływowi prądu pomiarowego nie różnią się między sobą więcej niż o błąd dyskretyzacji przetwornika analogowo-cyfrowego. W każdym okresie sygnału sterującego przełącznik 3 czas przepływu prądu pomiarowego wynosi od 200 do 350 με, a czas pracy regulatora 2 w typowym układzie aplikacyjnym, gdy wydzielana jest w nim moc grzejna wynosi około 1 s. Zmierzona w ostatnim okresie sygnału sterującego przełącznik 3 wartość napięcia UA w stanie ustalonym, przy niskim poziomie mocy UAL oraz wartość średnia czasowego przebiegu mocy wydzielanej w układzie PH wykorzystywane są w trzecim etapie, zaś wartość rezystancji termicznej jest wyliczana ze wzoru ^UAL ^U AK

P - U I

H AL M

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku, przedstawiającym schemat blokowy układu do pomiaru rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego.

Układ ten składa się ze źródła napięcia zasilania regulatora 1, które jest połączone z wejściem badanego regulatora 2 za pośrednictwem półprzewodnikowego przełącznika mocy 3, sterowanego sygnałem cyfrowym. Do wejścia badanego regulatora 2 jest podłączone źródło ujemnego napięcia 4 przez rezystor 5 oraz wejście przetwornika analogowo-cyfrowego. Do zacisków, zawartego w strukturze badanego regulatora 2, półprzewodnikowego elementu kluczującego Sw są podłączone wejścia dwukanałowego oscyloskopu cyfrowego, rezystor 6 w układzie ograniczającym maksymalny prąd elementu kluczującego Sw oraz pozostałe elementy układu aplikacyjnego 7, dławik, kondensator filtru wyjściowego i rezystancja obciążenia oraz dioda, przy czym badany regulator 2 jest usytuowany w termostacie.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego pracującego w konfiguracji przetwornicy BOOST, wykorzystujący w charakterze parametru termoczułego napięcie na spolaryzowanej w kierunku przewodzenia prądem IM diodzie podłożowej, realizowany w trzech etapach, obejmujących wyznaczenie nachylenia F charakterystyki termometrycznej, pomiar napięcia na diodzie podłożowej w czasie kalibracji UAK oraz w stanie ustalonym UAL i obliczenie wartości rezystancji termicznej Rth ze wzoru analitycznego, znamienny tym, że w drugim etapie pomiaru badany regulator (2) włącza się w układ aplikacyjny i generuje impulsowy przebieg mocy oraz mierzy się czasowe przebiegi, a wartość średnią PH mocy wyznacza się na podstawie pomiaru czasowych przebie6

PL 206 218 B1 gów prądu oraz napięcia na zaciskach wyjściowych półprzewodnikowego elementu kluczującego Sw, zawartego w strukturze badanego regulatora (2), przy czym w trzecim etapie wylicza się wartość rezystancji termicznej Rth, jako iloraz różnicy napięć UAL i UAK przez iloczyn nachylenia charakterystyki termometrycznej F różnicy mocy PH i iloczynu prądu pomiarowego IM przez napięcie UAL.

2. Układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego pracującego w konfiguracji przetwornicy BOOST, zawierają cy komputer, przetwornik analogowo-cyfrowy, oscyloskop cyfrowy i termostaty, znamienny tym, że źródło napięcia wejściowego (1) jest połączone z wejściem badanego regulatora (2) za pośrednictwem półprzewodnikowego przełącznika mocy (3), do wejścia badanego regulatora (2) jest podłączone źródło ujemnego napięcia (4) przez rezystor (5), zaś do wyjścia badanego regulatora (2), są podłączone wejścia dwukanałowego oscyloskopu cyfrowego, rezystor (6) oraz pozostałe elementy układu aplikacyjnego (7) badanego regulatora (2), który jest usytuowany w termostacie.