提升溫度偵測的方式

電源轉換器的操作溫度一旦超出規格，可能會造成各種電氣問題，包括效率降低、穩壓效果不穩定、EMI及減少可靠度，嚴重時甚至會導致徹底故障。如何避免過溫問題是特別需要注意的課題，故使用者選擇電源轉換器是否有溫度偵測安全設計是很重要的。本文將介紹電源轉換器溫度偵測的方式，並提供多點校正的建議，以確保設備能有效進行過溫保護。

 

緒論

在正常運行時，操作溫度會保持在規格範圍內。然而，當受環境溫度影響(例如放置在極高溫度環境)或出現其他機器故障 (例如長時間處於過負載狀態、散熱風扇失靈) 時，造成電源轉換器轉換效率降低，其損失的能量大都以熱能方式散發，過多的熱能可能會導致操作溫度超出規格，進而造成元件受損等潛在問題，為了防止這些問題，當電源轉換器的外殼或其熱敏感元件的溫度達到限制時，過溫保護(Over Temperature Protection, OTP)會啟動並關斷系統，防止其在過熱的情況下持續輸出，從而避免對後端的電路系統造成損害，如下圖所示。

當電源轉換器的外殼溫度到達溫度值時，過溫保護必須準確地啟動。若保護機制能夠更準確、更快速地偵測電源轉換器的溫度變化，就可以更精密且迅速地調整負載電流，避免熱過載的風險。選擇具有內建溫度感測控制器的電源轉換器可以免去額外使用溫度開關，減少的元件數量和電路板(PCB)的大小，實現更緊湊且可靠的設計，內部溫度感測器如下圖。

 

過溫保護的偵測方式

電源轉換器內建的溫度感測器使用IC來提供過溫保護，這種設計可以達到高準確度及快速的熱反應時間。通常透過熱敏電阻、稽納二極體及比較器來監控溫度故障，如下圖所示。

控制器的回復具有滯後性，需要滿足自動恢復計時器時間以及偵測引腳的電壓達到恢復閾值的條件，才能夠自動恢復。這種方法保證了系統從熱過載中恢復的最小時間，除非滿足故障恢復閾值，否則不會讓電源轉換器重新啟動。

在大功率電源轉換器設計中，溫度感測器IC需要透過檢測熱敏電阻的電阻變化監測功率電晶體和變壓器的溫度。因此，配置熱敏電阻在熱源附近，能比較準確地在溫度過高時發出故障信號。熱敏電阻成本低、體積小，較常應用於電源轉換器內，另外正溫度係數與負溫度係數的熱敏電阻用於電源轉換器的功能也不相同。

 

熱敏電阻在電源轉換器的作用

熱敏電阻是一種對溫度特別敏感的電阻器，通常由陶瓷或金屬氧化物製成。熱敏電阻具有靈敏度高、成本低的優點，其電阻值隨溫度變化呈指數變化，根據電阻值與溫度的關係，可分為正溫度係數（PTC）和負溫度係數（NTC）兩種。

1. PTC熱敏電阻

PTC熱敏電阻主要是由高溫度係數的陶瓷或聚合物所構成，在室溫下的電阻值較低。當溫度開始上升時，其電阻值會稍微下降，而一旦溫度超過臨界溫度(Tc)，電阻值便會迅速上升，如下圖所示。

PTC熱敏電阻的正溫度係數特性常用於過電流保護、短路保護和溫度監測等特定功能，例如，在過電流保護應用中，當電流過大導致溫度上升時，PTC熱敏電阻的電阻值會迅速上升，從而限制電流，保護電路安全。此外，由於PTC在超過一定溫度後電阻值會急劇改變，較不適用於精密測量電路板的溫度。

2. NTC熱敏電阻

NTC熱敏電阻是由兩種或兩種以上的金屬氧化物陶瓷材料製成，在-80℃~140℃的溫度範圍內能達到較高的精度，該電阻值隨溫度下降而下降，如下圖所示。

在室溫下，NTC熱敏電阻具有較高的電阻，適合串聯於電源轉換器輸入端，常用於抑制電源開啟瞬間的浪湧電流。當電源開啟一段時間後，流過NTC熱敏電阻的電流會導致溫度上升，使電阻值迅速下降到可以忽略的程度，從而減少對電源系統的影響。NTC熱敏電阻，其可提供良好的耐低溫性，且在低溫時有極高的靈敏度，其電阻值隨著溫度的增加而快速下降，能夠快速準確地反映溫度變化，所以較廣泛用於精密偵測電路溫度。

 

單點偵測與多點偵測

溫度感測器用於大功率電源轉換器設計中，將熱敏電阻整合在PCB上緊密靠近高溫元件，或置放在高溫元件的PCB背面，能更敏感地捕捉到溫度變化，並確保有準確的熱監測。根據具體應用場景，溫度偵測可以分為單點校正和多點校正。

1. 單點校正

單點校正是指在一個特定位置進行溫度感測，該位置通常是最可能過熱的點，例如電源轉換器的變壓器，如下圖所示。

若設備有進行灌封膠製程，能讓其熱源均勻散佈，使用單點校正的方式就能達到良好的效果，同時能夠避免因為誤差而提早觸發OTP的情況。但對於體積較大、熱源分散的設備，單點校正可能僅反映單一點的溫度，而忽略其他區域的過熱情況，若需加強OTP效果，可以考慮多點校正的方法。

2. 多點校正

多點校正是在多個關鍵位置配置溫度感測器，這些位置包括各個大電流流經的元件、變壓器以及外殼等高溫區域。可透過將熱敏電阻放置較靠近外殼以偵測環境溫度。如此一來，避免環境溫度過高而影響內部溫度。此方式可直接在充電器電路板中整合多個 NTC 熱敏電阻來實現。例如，在多點校正的配置下，就算熱源集中在PCB的邊緣，熱敏電阻也能及時偵測到溫度變化，如下圖所示。

多點校正能提供更全面的溫度監測，確保外殼中心點溫度和內部溫度感測器不會因溫度感測不足而達不到溫度故障閾值，導致的過熱問題。這種方式可以改善熱敏電阻的線性，提供更準確和可靠的溫度值，但會增加元件成本及犧牲電路板空間等缺點。

 

結論

為了確保電源轉換器在設計的溫度範圍內運行，有效的溫度監控措施是維持電氣效能和可靠度的關鍵。PTC與NTC熱敏電阻各有不同的應用特點，PTC熱敏電阻具有臨界溫度點，可以依據設備的過熱保護需求選擇不同臨界溫度的PTC熱敏電阻，達成有效的熱保護效果；NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度上升呈現指數型下降，具有較高的精準度。

溫度偵測的單點校正與多點校正各有優缺點，適用於不同的應用場景。對於小型或中型設備，且熱源集中的情況，單點校正是一個簡單且有效的選擇；對於大型的設備，尤其是熱源分佈較廣的情況，多點校正提供了更全面的溫度監測，能更好地防止過熱問題，確保設備的穩定性和安全性。

 

 

 

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