전원 설계 기술 정보 사이트

기술 자료 다운로드

2020.08.05 AC/DC

중요 체크 포인트 : 온도 측정과 손실 측정

절연형 플라이백 컨버터의 성능 평가와 체크 포인트

절연형 플라이백 컨버터의 성능 평가에 있어서, 사양 이외에 확인해 두어야 할 「중요 체크 포인트」로서 「온도 측정과 손실 측정」에 대해 설명하겠습니다.

본 편에서는 온도와 손실의 측정과 산출 방법에 대해 설명하겠습니다. 그 목적으로는, 전원 IC의 Junction (접합부) 온도 Tj가 실제 동작의 최대 온도 조건에서 최대 정격 Tjmax를 넘지 않음을 확인하는 것입니다. 최대 정격은 절대로 넘어서는 안되는 수치입니다. 만약, 이 수치를 넘게 되면 수명이 현저하게 짧아지거나, 파괴에 이르게 될 가능성이 있습니다. 또한, 정격을 넘지 않는 것 이외에, 신뢰성의 관점에서 실제의 Tj를 바탕으로 디레이팅 (derating)을 실시하는 것으로도 연결됩니다.

또한, 손실 체크가 필요한 것은 손실=발열이기 때문입니다. 허용 손실의 관점에서 보면, 실제의 손실이 허용 손실 이하인지의 여부가 체크 포인트이지만, 최종적으로는 Tj가 어느 정도인지에 대한 원점에 도달하게 됩니다. 따라서, 손실 요인을 파악함으로써 경우에 따라서는 손실을 개선하여 발열을 저감할 수 있습니다. 물론 이것은 효율 개선으로도 이어집니다.

【체크 조건】
  • 입력전압 : 최대치
  • 부하 전류 : 최대치
  • 환경 : 온도 조건의 상한치
【체크 포인트】
  • 전원 IC의 Tj가 최대 정격을 넘지 않는가.
  • 손실이 데이터시트에 제시된 허용 손실 이하인가.

온도 측정

이번 사례에서 사용한 전원 IC는 파워 트랜지스터 내장 타입이므로, 전원용 IC의 Junction 온도를 측정합니다. 참고로, 파워 트랜지스터가 외장인 제품의 경우 제1 발열원은 외장 파워 트랜지스터이지만, 컨트롤러 IC의 파워 트랜지스터 게이트 드라이브용 전류가 작지 않은 경우도 있으므로 주의해야 합니다.

IC 칩은 대부분 패키지 안에 수지 봉지 (樹脂封止)되어 있으므로 Junction 온도 Tj를 직접적으로 측정할 수 없습니다. 따라서 주위 온도 Ta 및 케이스 (패키지) 온도 Tc의 실측치와 열저항을 바탕으로 Tj를 산출합니다. 오른쪽 그림은 열저항과 온도의 관계를 나타낸 것입니다. 열저항 θja는 Junction (칩)에서 주위 공기중까지의 전체 열저항이며, Tj는 Ta+자기 발열, 발열은 열저항×전력의 기본식을 바탕으로 오른쪽과 같이 Tj를 구할 수 있습니다.

열저항에 관해서는 IC 메이커가 제공하는 자료를 참조합니다. 데이터시트 등에 기재되어 있지 않은 경우에는 해당 메이커에 별도로 문의하여 주십시오.

Ta 또는 Tc 실측 시, Ta의 측정은 의외로 어렵습니다. 열전대를 사용하여 주위 온도를 측정하면 되지만, 발열체 근처와 발열체로부터 떨어진 부분에서는 상당한 온도 차이가 있습니다. 또한, 실제 기기에서는 하우징 상태이거나, 공랭 팬이 작동하여 공기가 움직이는 등 조건의 차이가 있으므로, 어떤 조건에서의 주위 온도를 Ta로 할 것인지가 문제입니다. 경험치를 바탕으로 해결할 수도 있겠지만, 어려운 문제입니다.

반면에 Tc의 측정은, 최근 서모그래피 및 방사 온도계 등이 보급됨에 따라 비교적 간단하게 측정할 수 있게 되었습니다. 물론 열전대를 사용하여 측정할 수도 있지만, 열전대를 패키지에 접촉시켜야 하므로, 열전대로 인한 방열이 발생하는 등 정확한 측정은 상당히 어렵습니다. 절대로 열전대의 끝부분을 테이프로 패키지 위에 부착하여 측정해서는 안됩니다. 최근의 상황을 고려하면, 적외선을 이용한 비접촉 온도계를 사용하는 것이 좋은 방법입니다.

또 한가지, 패키지의 어느 부분의 온도를 Tc로 할 것인가도 중요합니다. 위쪽 패키지 그림을 보시면 아시겠지만, 파워 트랜지스터의 바로 윗부분과, 그다지 전력을 소비하지 않는 컨트롤 칩 윗부분의 Tc는 차이가 있습니다. 기본적으로는 패키지 표면 온도가 가장 높은 부분의 수치를 사용합니다. 이러한 의미에서는 서모그래피가 편리합니다. 참고로 열전대의 경우, 별도의 세세한 조건이 있기는 하지만, 패키지 중앙에서 측정하는 것이 일반적입니다.

손실의 측정

열저항, Tc 또는 Ta의 데이터가 얻어지면, 상기 식의 계산에 필요한 항목은 P, 즉 소비전력=손실 (전력)입니다. 손실은 단순히 전압×전류로 구할 수 있습니다. 예를 들어, LDO 리니어 레귤레이터에서는 (입력전압 – 출력전압) × (출력전류+자기 소비전류)가 손실 전력이 됩니다. 반면에 스위칭 레귤레이터의 경우에는 스위칭을 통해 전력을 출력하므로, 평균 소비전력을 구할 필요가 있어, 산출이 조금 복잡해집니다. 하기는 원칙적인 산출식을 나타낸 것입니다.

기본적으로, 평균 전력 P는 전류와 전압의 곱을 시간으로 적분한 값을, 시간 T로 나눈 값입니다. 이것을 실제의 스위칭에 반영합니다. 개념으로는 1주기에는 대략적으로 OFF→ON (T1~T2), ON 구간 (T2~T3), ON→OFF (T3~T4), OFF 구간 (T4~T5)의 4가지 상태가 있다고 가정했을 때, 하기와 같이 4가지 구간으로 나누어 계산합니다. 실제로 적분 계산은 적분 공식을 사용합니다.

이 계산을 위해서는 위에서 기술한 4가지 구간의 시간과 전압 / 전류를 나타내는 파형 데이터가 필요합니다. 특히 변화 시의 파형은 rise / fall 시간과 settling 시간의 전압 / 전류와의 관계를 잘 알 수 있는 파형을 취득해야 합니다 (상기 오른쪽 파형 데이터 참조). 이는 판독한 값을 상기 식에 대입하여 계산하기 위함입니다.

정리

측정과 계산을 통해 구해진 P, 손실 (소비전력)을 상기의 Tj 산출식에 대입하여, Tj를 구합니다. Tj의 최대 정격은 150℃이므로, 그 이하의 수치인 것을 확인합니다.

허용 손실은 오른쪽 그래프 (BM2P013의 데이터시트에서 발췌, PCB : 74.2mm×74.2mm×1.6mm 글래스 에폭시 2층 기판 실장 시)에서 구합니다. IC로서는 Ta=105℃가 동작온도 범위이므로, 이때 약 750mW를 허용할 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 전원으로서의 동작온도의 최대치를 사용하는 경우에는 IC 부근의 Ta가 필요합니다. 어떠한 온도 조건이라도 손실이 허용 손실 이내에 포함되어야 하는 것이 최저한의 조건입니다.

이번 편에서는 이론을 중심으로 설명하였습니다. 실제의 온도 및 손실의 계산 방법이나 계산 예에 대해서는 로옴의 홈페이지에 게재되어 있으므로, 참조하여 주십시오.

키 포인트

・소자 (chip)의 접합 온도 (Tj)가 정격 이내에 포함되어야 하는 것은, 신뢰성뿐만 아니라 안전성을 포함한 필수 확인 사항이다.

・온도는 실측과 열저항의 개념을 이용하여 구한다.

・손실은 스위칭 파형의 관측과 수식을 통해 구한다.

・허용 손실은 데이터시트의 그래프를 참조하고, 최종적으로는 Tj를 기준으로 한다.

기술 자료 다운로드