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用于汽车HVAC和冷却风扇系统的回流热保护（RTP）器件 |
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作者：泰科电子 |
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PowerFET 在苛刻环境中的故障
在苛刻的汽车工作环境中，功率场效应晶体管（powerFET）常常会暴露于极端温度变化和热机应力之下。间歇短路、冷操作环境、高电弧放电或带噪声电路短路、感应负载及多重短路在经过一段时间后会造成装置疲损，使装置在开路、短路或阻性模式下出现故障。
尽管现在的powerFET越来越耐用，但在苛刻的工作环境下仍容易出现故障，尤其是在超出其额定值后，它们会很快出现故障。如果电压超过 powerFET的最大工作电压，那么它很快就会被烧毁。如果瞬时电压所包含的能量高于额定破坏能量水平，那么装置将损坏；形成破坏性热事件，最终可能导致装置冒烟、起火或脱焊。
实践证明，与工作环境相对温和的应用相比，汽车的 powerFET 更容易出现疲损和故障。通过对比一段时间内的powerFET故障情况，我们发现用于苛刻环境条件（比如汽车应用）下的装置的 ppm 故障率要高得多。实地使用五年后，这种差别可达 10 倍以上。
尽管一个powerFET可能通过了最初测试，但是在某些条件下，装置中的随机薄弱环节可能导致装置在现场使用中出现故障。实践证明，即使powerFET在规定的工作条件下运行，也会在不同的电阻水平下出现随机、不可预测的阻性短路。
阻性模式故障尤其值得关注，这不仅仅是相对于 powerFET而言，印制电路板也一样。仅 10W 的功率就可能产生温度在 180摄氏度以上的局部热点，远远高于印制电路板的典型玻璃化转变温度（135摄氏度），造成电路板的环氧结构损坏，并产生热事件。
图1 说明一个出现故障的powerFET可能并不会产生一个完全短路过电流条件，而是产生阻性短路，通过I2R受热形成不安全的温度条件。在这种情况下，所形成的电流可能并不是很高，不会使标准保险丝熔断并阻止印制电路板上的热失控。
图1：阻性模式下的powerFET故障可能形成不安全的温度条件
一种新的热保护解决方案
泰科电子的回流热保护（RTP）器件是一种耐用、可靠的表面安装热保护器，它可防止功率电子器件故障产生热损坏。这种二级热保护器件可用于代替汽车设计中常用的冗余powerFET、继电器及大规格热沉。
当某功率器件故障或板缺陷形成不安全的高温条件时，RTP200 器件（在 200摄氏度打开，该温度高于正常工作温度，但低于无PB焊料回流温度）将会中断电流，阻止热失控，避免造成重大损坏。
如图 2 和图 3 所示，当 RTP 装置在 FET 附近的电源线上串联时，它会跟踪 FET 温度，在缓慢的热失控在电路板上形成破坏性热条件之前断开电路。
图2： RTP器件和powerFET在印制电路板上紧密接触，共用部分安装垫，以形成更好的导热性
图3： 在缓慢的热失控条件下，RTP 200器件会跟踪powerFET温度，
在达到 200摄氏度时断开电路
保护冷却风扇模块，防止其因热失控受损
冷却风扇模块是汽车 HVAC 和发动机冷却系统的一个重要模块，用于冷却发动机，防止发动机在特殊条件下（比如高温天气和上陡坡时）出现过热。图4显示了 RTP 器件在 CFM 应用中的设置。
图4： RTP器件在CFM 应用中的设置方框图
CFM 模块通常位于引擎盖下，与乘客厢内的模块相比，它们将面临更极端的温度变化。极端温度变化产生的热应力会加速powerFET疲损，导致powerFET故障。引擎盖下的零部件还可能暴露于液体环境中，出现腐蚀，并在印制电路板上形成局部热点。
一般情况下，CFM 模块并不包括能在某些情况下进行板上诊断并自动发出关闭信号的微控制器。所以我们无法通过软件防止powerFET故障，只能通过二级保护防止热失控形成危险的热事件。
在某些设计配置中，powerFET 直接连接电池（+Vbat）。在这种情况下，即使点火装置已关闭，装置电源仍可能未断开。在出现形成不安全温度的故障事件时，发动机输出的功率不会切断电路，热事件将继续。
在大部分汽车冷却风扇应用中，powerFET 设在控制模块上，用于根据需要开关风扇电机电源。CFM 应用中常用的电机配置有两种：有刷电机和无刷电机。图5和图6显示了这两种电机及相关电子器件的配置，定义了功率器件故障可能形成不安全热失控条件的敏感区。在此类应用中，RTP器件可防止热失控形成破坏性热事件。RTP器件设在应用的敏感区内，当温度超过规定的开路温度时，RTP器件将断开电路。
图5： 三相无刷直流电机配置
图6： 有刷直流电机配置
尽管该应用针对的是 powerFET，但实际上RTP器件还可针对电容器、IC、电阻器及其它功率器件故障产生的热失控条件或任何腐蚀形成的热条件提供保护。如图5和图6所示，敏感区内的电容器也是可能造成局部过热的潜在热源。
安装建议
RTP器件与热源之间的热导率在很大程度上取决于印制电路板布局、热沉结构及共位器件的相对位置和设计。
用于 FR4印制电路板时，与潜在热源的紧密热接触是实现良好保护表现的关键。RTP200 器件的PTH 引脚必须与powerFET或被保护器件的主要热引脚或热沉共享一个铜安装焊盘。为实现适当热藕合，我们建议板采用以下布局（见图7）：
· RTP器件的PTH 引脚必须在实际条件允许的情况下尽量靠近powerFET 热沉。
· 用铜线路（在实际条件允许的情况下应尽量厚一些、宽一些）连接PTH 引脚和powerFET热沉。
· PTH 引脚的正下方不应有附加的铜层，在条件允许的情况下去掉RTP器件PTH 引脚焊盘下的附加铜层。这些附加的铜层会转移RTP器件热量，降低其热灵敏度。
· 在条件允许的情况下尽量让顶层“冷却”线路远离RTP 器件的PTH焊盘。
图7： 安装在FR4上的板布局建议
在绝缘金属基板（IMS）布局设计中，由于热传播得到提高，所以其灵活性要高得多。在高功率、高密度设计中，RTP器件离功率器件的距离最大不超过 10厘米（见图8）。
图8： IMS 基板的板布局建议
图9显示了RTP 器件在 IMS 结构中设在离 powerFET 10厘米的距离上的表现。即使相隔10厘米的距离，故障powerFET 与RTP器件之间的热梯度也在40摄氏度左右。
图9： RTP器件在 IMS 结构上的表现
可靠耐用的回流热保护解决方案
RTP 器件可帮助汽车功率电子系统（比如冷却风扇系统、ABS、电动助力转向系统、PTC 加热器等）达到可靠性要求。RTP200 器件在器件温度达到 200摄氏度时断开电路，防止假激活，提高系统可靠性。因为该温度高于大部分电子器件正常工作时的温度范围，但低于常见无铅焊料熔点。也就是说，当旁边的器件在规定温度范围内工作时，RTP200器件不会断开电路；但会在温度超过正常范围后，在器件脱焊和形成短路风险之前断开电路。
为了能在实际应用中在 200 摄氏度温度条件下断开电路，RTP器件通过一种一次性电子激活程序获得热敏特征。在激活前，RTP 器件能进行三次无PB 焊料回流焊（不会断开电路）。进行电子激活的时机由用户决定，可在系统上电或系统测试时自动进行。
RTP器件的热敏特征是非常有用的，因为在某些情况下故障器件并不形成完全短路过电流条件，而是形成不会导致传统保险丝熔断的阻性短路。此类事件实际上还可能降低负载电流，但仍会形成不安全的热失控条件。RTP200器件可防止完全短路和阻性短路条件造成损坏。
本应用说明提供了与 RTP200R120SA器件相关的信息。我们的产品将进一步扩展（包括0.6mOhm RTP），我们将不断改进泰科电子产品提供的电路保护解决方案。(end)
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(12/1/2010) |
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