過溫保護的方式

 

近期許多電子設備因為內部溫度過熱而使功率電晶體損毀、變壓器壽命減短，甚至造成系統誤動作，故當溫度過高時，電源轉換器的保護線路成為一個必要的設計。接下來將介紹過溫保護的線路設計，最後實作電源轉換器結合溫度開關，透過調整電阻值來決定溫度保護點，以避免超過安全溫度的風險。

 

緒論

 

工廠內常見的CNC機台、家庭內的電熱烤箱或其他大功率的電子設備，其內部電源轉換器長期處於重負載或放置於高環境溫度下，當外殼溫度一旦高於規格書標示的最大溫度時，容易使電源轉換器內部零件受損。為了保護電源轉換器以及後端的電路系統，故設計上需要溫度保護機制。過溫保護(Over Temperature Protection, OTP)用來防止電源轉換器在過溫情況發生之後持續輸出造成零件損壞。

一般量測轉換器外殼中心點的溫度作為過溫保護的標準溫度，如圖1，一旦此溫度超過規格書的最大外殼溫度，電源轉換器則關閉。因此當轉換器運作時，提供適當的冷卻方式以將外殼溫度保持在最大外殼溫度以下，以減少過溫情況發生。

高可靠性的電源轉換器設計有內建過溫保護機制，可以快速偵測到溫度變化，並能即時觸發保護機制。另一方面，如果使用者拿到無內建過溫保護機制的電源轉換器時，又該如何實現過溫保護功能呢? 此仍可以加入溫度開關來實現。本文說明過溫保護功能的概要，以及實作電源轉換器搭配可程式化的溫度開關器TMP708，相鄰焊接於印刷電路板，以實現過溫保護為本實驗選用之重點。

 

​過溫保護結構

應用在DC/DC電源轉換器中，大都因為過電壓或過電流持續一段時間，造成內部零件溫度過高，再藉由偵測外殼中心溫度，來判定過溫保護的時機。過溫保護會關閉電源轉換器輸出電壓，並直到溫度下降低於回復值，電源轉換器會自動重新啟動至輸出電壓恢復於標準值。

圖2是返馳式轉換器搭配內部溫度感測器的基本架構，感測器測得電源轉換器釋放的熱能，受到感測器放置距離不同而各有差異。溫度感測器相鄰於高溫零件旁，能比較敏感於溫度；反之溫度感測器離高溫零件較遠的話，則無法取得當下最高溫度訊號，故當外殼中心點溫度已到最大值，但感測器溫度尚未到溫度臨界點，並予造成危險。

大功率模式運作時，熱能透過電路板傳遞到溫度感測器，一旦感測到高於溫度臨界點時，會立即停止能量轉換動作，以關閉轉換器。

圖3是返馳式轉換器搭配外部溫度開關的基本架構，首先選擇一個提供正邏輯遠端控制開關功能的電源轉換器，能夠透過控制引腳(Ctrl)使得轉換器進入待機模式，或使轉換器重新啟動。再將溫度開關器緊貼在電源轉換器的發熱零件(M1)外殼旁，以確保轉換器溫度能傳遞到感測器，當轉換器溫度過高時，溫度開關開啟使得控制訊號接地，以關閉轉換器。

此方式雖然精準度不及內建溫度感測器類型，但可以依照實際環境變化，動態地調整溫度臨界值，例如轉換器於工廠作業區內高溫暴露環境時需提高溫度臨界值。儘管如此，這不僅增加外部零件數量，也會增加線路設計的複雜度。若要簡化設計，可選擇具有內建保護功能的溫度感測控制器，可以減少零件數量和印刷電路板大小。

電源轉換器不論搭配內部或外部的溫度開關，都可以當轉換器外殼到達指定溫度時，輸出電壓會立即關閉，此時系統可切換至其他供電設備供電，直到外殼溫度下降至恢復值以下時，轉換器會自動重新開啟，其行為模式如圖4。

 

 

實驗

功能介紹

下表為本實驗選用的直流-直流電源轉換器規格

Power Converter	3W, SIP8 package
Input Voltage	4.5-9Vdc, Nom. 5Vdc
Output Voltage	12Vdc
Output Current @full load	250mA
Operation Temperature	-40~100°C

基本的過溫保護動作是感應溫度、判斷溫度是否過大、然後決定關閉轉換器。本實驗使用外部溫度開關器的感測器去偵測轉換器外殼溫度，以及外加電阻R4來偏壓轉換器控制訊號、電阻REST決定溫度臨界值，系統方塊圖如下。

本實驗選用一個積體化的可編程電阻的溫度開關TMP708，此有過溫度保護功能為本實驗選用之重點，它內部有正/負溫度相關的參考電壓與比較器。

TMP708的SET 接腳與 GND 接腳之間接上誤差1% 電阻器RSET，此電阻可調整溫度臨界值；OT接腳接到電源轉換器的控制開關，此根據轉換器的開關邏輯來決定OT腳位輸出是否需要加反向器；HYST  接腳允許將輸入遲滯設置為 10°C（當 HYST = VCC 時）或 30°C（當 HYST = GND 時）。

功率耗損

由於外部溫度保護電路會額外增加能量損失，將簡易計算各損失值，分別為TMP708、偏壓迴路(包含R4&開關SW)的功率消耗為

其中

根據上式計算的總損失，得電源轉換器所損失的效率

 

實作波形

圖6為電源轉換器從正常運作模式進入保護模式，再回到正常運作模式的波形。將轉換器放置於高溫環境中，一開始送電輸入電壓，轉換器開啟而輸出電壓穩定於12V於重負載模式，此時機殼溫度不斷上升，直到溫度臨界點70°C時，OT訊號轉成高電壓準位且將控制腳位CTRL拉至地，轉換器進入溫度保護模式，輸出電壓也降為0V，將轉換器移至室溫環境，此時的機殼溫度快速下降，直到回復溫度值約55°C時，轉換器會自動地從保護模式回復正常運作模式，保護模式狀態解除，此時輸出電壓升到12V。

 

結論

大功率轉換器使用外部溫度開關，有效地防止電源轉換器在過溫環境時仍持續運作而造成系統損壞，以提高電源轉換器可靠性。本文實作一個過溫保護實驗，使用可編程溫度開關IC減少線路設計的複雜度並提高功能性，最後結合電源轉換器，以實現過溫保護功能。

 

 

頻譜電子創立於1987年，為專業的高階電源模組(交流轉直流電源轉換器, 直流轉直流電源轉換器)提供設計製造及技術服務，服務範圍遍及全球。我們致力於位客戶創造商機並且自詡為客戶的虛擬事業體。頻譜電子擁有35年以上的豐富經驗，從市場研究開始，我們在商業方案、產品研發、供應鏈管理以及全面技術服務等都可以提供高標準的服務。

頻譜電子是業界中唯一擁有ISO9001, IATF16949, ISO22163(目前為台灣唯一一家獲得銀級認證的公司)以及ESD20.20。我們專精於高端應用，像是工業、鐵道、電動載具以及醫療市場等。我們的技術能力涵蓋寬輸入範圍12:1、寬操作溫度自-40°C至110°C、超高絕緣標準可以達到reinforced以及2MOPP、高隔離耐壓達到20KVDC，甚至可以達到EMI Class A Built in等。除此之外，頻譜電子導入智慧製造以及國際化的生產基地，讓我們可以遊刃有餘的面對來自世界各地且變化極大的需求。