AN-892: 温度計測の理論と実践上のテクニック (Rev. 0) PDF

AN-892
アプリケーション・ノート
温度計測の理論と実践上のテクニック
著者:Donal McNamara
熱伝達の理論
一般に、熱は高温の物体から低温の物体に伝達します。システ
ム(冷凍器など)で強制的にエネルギー伝達を行うことにより、
低温領域から高温領域に熱を伝達させることもできます。
WARM AIR
RISES
熱伝達には、基本的に以下の3つの方法があります。
COOLER AIR DROPS
AND REPLACES THE
WARMER AIR
• 伝導
06506-002
• 対流
• 放射
HEATER
伝導
図2.
固体における熱伝達で最もよくある形態が伝導です。微視的レ
ベルで言えば、急速に移動または振動する高温の原子や分子が
隣接する原子や分子に作用し、エネルギー(熱)の一部を隣接
する原子に伝達することによって、伝導が行われます。
放射
放射は、どのような形態の媒体も存在しない場合に生じ得る唯
一の熱伝達形態です。このため、真空における熱伝達は放射の
みです。熱の放射は、物質内部の原子や分子の運動そのものに
よって発生します。放射の量は温度の上昇にともなって増加す
るため、高温から低温へのエネルギーの正味移動量そのものに
なります。
CROSS SECTIONAL AREA = A
COLD
HEAT FLOW
06506-001
HOT
L
図1.
対流
伝導
対流
06506-003
液体や気体における主な熱伝達の形態が対流です。この用語は、
伝導と液体の流れの2 つの影響を表すときに使用します。対流
では、伝導による熱の伝達のほかに、液体の高温部や低温部の
移動によって熱成分が伝達します。
図3.
放射
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アナログ・デバイセズ株式会社
本 社/ 〒105-6891 東京都港区海岸1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル
電話03(5402)8200
大阪営業所/ 〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36 新大阪MTビル2号
電話06(6350)6868
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AN-892
目次
熱伝達の理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
PCボードの温度を測定するための正しいPCボード・
レイアウト. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
周囲温度を測定するための正しいPCボード・
レイアウト. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
パッケージ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
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AN-892
事実: PCボードの主な熱伝達の形態は伝導です
PCボードの一方の端が他の端よりも高温のとき、エネルギーは
PCボードを伝って低温の方の端に伝達されます。速度の高い粒
T
A
子が速度の低い粒子に衝突し、エネルギーの正味伝達量が低速
の粒子の方に移動します。伝導の熱伝達の速度は、次式で表す
ことができます。
L
H
ここで、
図4.
H=単位時間あたりの伝導エネルギー(ジュール/秒)
K=銅の熱伝導率(385W/(m·K)、室温時)
A=PCボード上の銅面積
T=温度
L=高温の物体と低温の物体の間の距離
伝導における熱の伝達速度
銅は優れた熱導体であるため、熱源から熱を放散させる方法と
して多くのPCボード設計でよく利用されています。銅よりも優
れた熱伝導性がある物質は、銀とダイヤモンドだけです(表1
を参照)。
図4 に、熱が伝わる媒体(銅など)の面積が大きくなると、高
温の物体から低温の物体への熱の移動が速くなることを示しま
す。同じように、銅の面積を小さくすると、熱の伝達速度が低
下します。このことから、2 つの物体の距離が長くなれば、低
温の物体を加熱するのに時間がかかるということがわかりま
す。
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06506-004
(K×A
(THOT−TCOLD))
H=
表1.
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物質の熱伝導率
Material
Thermal Conductivity (W/m·K)
Diamond
1000 to 2600
Silver
406
Copper
385
Gold
320
AN-892
PCボードの温度を測定するための正しいPCボード・レイアウト
ピンからPCボードの熱の60∼65%がチップ温度センサに伝わります。GNDピンは基板に接続するため、温度センサと熱源との間の熱
抵抗値が最も低くなります(図5を参照)。
MAIN HEAT SOURCE
(µCONTROLLER)
06506-005
TEMPERATURE
SENSOR
図5.
PCボードの温度を測定するための正しいレイアウト
PCボードの温度を効率的に測定する方法
次に示す条件に従い、図6に示すように、温度センサでまずPCボードの温度を、次に主な熱源の温度を追跡し正確に測定します。
• 温度センサと熱源のに間は共通のGNDプレーンを1枚使用します。
• 温度センサのGNDピンをすべて熱源のGNDプレーンに接続します。
• PCボード上で温度センサを熱源にできる限り近く配置します。
28.0
27.5
MAIN HEAT SOURCE
(µCONTROLLER)
TEMPERATURE
SENSOR
TE MPE RAT URE ( °C)
27.0
26.5
26.0
25.5
25.0
24.0
TIME (Minutes)
図6.
06506-006
24.5
熱源の温度を高精度に追跡するデジタル温度センサ
ほとんどの場合、PCボードや部品の温度を測定するのにIC温度センサを使用するため、図5と図6に示すPCボードのレイアウト方法を
利用することができます。
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AN-892
周囲温度を測定するための正しいPCボード・レイアウト
設計者の多くは、PCボードの温度を測定しようとはしません。むしろ、周囲温度のほうを測定したいと考えています。では、PCボー
ド上の熱源が温度センサによる周囲温度の測定を阻害しないようにするにはどうすればよいでしょうか。図7に示すPCボードのレイア
ウト設計を利用することで、問題が解決します。
SOLID GND
PLANE UNDER
µCONTROLLER
TEMPERATURE
SENSOR
06506-007
MAIN HEAT SOURCE
(µCONTROLLER)
HASH GND
PLANE
図7.
周囲温度を測定するための正しいレイアウト
周囲温度を効率的に測定する方法
次の条件に従い、主な熱源が放出する熱による温度センサへの影響を防止し、周囲温度を高精度に監視します。
• ハッシュGNDプレーンを使用します。GNDプレーンの面積が小さいと、熱抵抗値が高くなります。
• 温度センサを熱源からできる限り離します。
• 温度センサ用に別にGNDプレーンを使用し、主なGNDプレーンとの接続をできる限り短くします。
• 細いGND接続線を使用すると、熱抵抗値が高くなります。
• 主な熱源の下側に厚いGNDプレーンを使用し、緑色のハンダ・マスクを露出させます。こうすることによって、小さい熱抵抗値で
主な熱源から熱が放散します。
26.0
25.5
MAIN HEAT SOURCE
(µCONTROLLER)
TEMPERATURE
SENSOR
T E MPE RA TURE ( °C)
25.0
24.5
24.0
23.5
23.0
22.5
22.0
06506-008
TIME (Minutes)
図8.
周囲温度を高精度に追跡するデジタル温度センサ
場合によっては、大気温度の監視が必要であり、高精度で直線性があり、高速応答性と利便性を備えたIC温度センサの使用が望まれる
ことがあります。このような場合は、図7と図8に示すPCボードのレイアウトを利用するのが最適です。
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AN-892
パッケージ
熱抵抗値θJAは、外付けヒート・シンクなしに使用するパッケー
ジに適しており、℃/Wの単位で表します。値は低いほどよくな
ります。たとえば、次のようになります。
パッケージに関しては、サイズとピンの数以外にいくつかの注
意すべき点があります。
• パッケージの熱抵抗値
• 8ピンMSOP=205.9℃/W
• デバイスの消費電力
• 8ピンSOIC=157℃/W
• ハンダ処理温度
ジャンクションとケース間の熱抵抗値(θJC)
チップ表面とパッケージ表面の間の熱の流れの状態を測るもの
です。外付けヒート・シンクに熱がどのように流れるかも反映
しており、外付けヒート・シンクを付けて使用するパッケージ
に適しています。熱抵抗値θJCは℃/Wの単位で表します。値が
低いほど、熱がヒート・シンクに流れやすいことになります。
たとえば、次のようになります。
• 熱衝撃に対する応答性
パッケージの熱抵抗値
データシートには、ジャンクションと周囲温度の間の熱抵抗値
(θJA)とジャンクションとケースの間の熱抵抗値(θJC)の2つ
がパッケージ性能の基準として一般に記載されています。
ジャンクション周囲温度間の熱抵抗値(θJA)
チップ表面と大気の間の熱の流れの状態を測るものです。ジャ
ンクションから周囲温度にあらゆる経路を介して熱がどのよう
に流れるかも反映しています。主な経路は、リードからボード
への経路です。
• 8ピンMSOP=43.74℃/W
• 8ピンSOIC=56℃/W
TA
MOLD COMPOUND
GOLD WIRE
TJ
LEADFRAME
DIE
06506-009
TCASE
DIE ATTACH
ADHESIVE
DIE ATTACH PAD
図9.
TSSOPパッケージの断面
PATHS TO AIR:
1. PACKAGE TOP TO AIR: 15%
2. PACKAGE BOTTOM TO BOARD: 20%
3. PACKAGE LEADS TO BOARD: 65%
06506-010
DIE
図10.
大気への主な経路
PATHS TO AIR:
NEARLY ALL HEAT FLOWING
OUT OF TOP OF PACKAGE
06506-011
DIE
図11.
大気への経路
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AN-892
デバイスの消費電力
データシートの「絶対最大定格」には、次式が記載されています。これは最大電力定格の定義になります。
(TAMB max−TA)
WMAX =
θ JA
ここで、
WMAX=デバイスの最大消費電力
TAMB max=データシートに記載されている最大周囲温度
TA=ジャンクション温度
θJA=ジャンクション−周囲温度間の熱抵抗値(単位:℃/W)
LOWER θJA
HAS BETTER
POWER DISSIPATION
1.2
SOIC
1.0
0.8
MSOP
0.6
0.4
0.2
SOIC PD @ 150°C = 4.4mW
MSOP PD @ 150°C = 3.4mW
0
–55
0
50
06506-012
MA XIMUM PO WE R IDSSIPA T IO N ( W)
1.4
150
100
TEMPERATURE (°C)
図12.
SOICおよびMSOPパッケージの消費電力
パッケージのハンダ処理について
アナログ・デバイセズでは、Sn-Pbハンダめっきリードと鉛フリー・リードの2種類のパッケージ・リードを製造しています(2006年
現在、アナログ・デバイセズのすべての新製品は鉛フリー材質のみです)。この2種類のリードのハンダ処理では、時間と温度のパラ
メータが異なります。ハンダめっきリードと鉛フリー・リードとの最も重要な違いは、ハンダ処理のピーク温度です。表2でグレーの
部分がその違いです。
表2.
Sn-Pbハンダめっきパッケージと鉛フリー・パッケージのデータ
Average Ramp-Up Rate
Sn-Pb Assembly (3℃/sec max)
Pb-Free Assembly (3℃/sec max)
Preheat
Temperature Minimum (TSMIN)
100℃
100℃
Temperature Maximum (TSMAX)
150℃
150℃
Time (TSMIN to TSMAX)
60 sec to 120 sec
60 sec to 120 sec
Time Maintained Above
Temperature
183℃
217℃
Time
60 sec to 150 sec
60 sec to 150 sec
Peak Soldering Temperature
220℃
260℃
Time Within 5℃ of Actual Peak Temperature
10 sec to 30 sec
20 sec to 40 sec
Ramp-Down Rate
6℃/sec max
6℃/sec max
Time from 25℃ to Peak Temperature
6 min max
6 min max
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AN-892
チップと熱源の間の熱抵抗値を小さくすると、熱時定数が減少
し、チップの熱応答性が改善します。熱時定数とは、温度∆が
その最終値の63.2%に変化するまでに要する時間です。図13で
は、ADT7301が25℃から125℃の熱衝撃を受けたとき、88.2℃
に達するまでに2秒(typ)かかっています。
電流出力温度センサ(AD590、AD592、TMP17など)の場合、
TO-52、TO-92(図14を参照)、CQFP、SOICのパッケージは
θJCとθJAが低くなければ、高速の熱応答性が得られません。こ
れらのデバイスにはGNDピンがありません。
140
100
80
60
40
06506-014
TE MPE RA T URE ( °C)
120
20
図14.
0
5
10
t = 2SECONDS
図13.
15
20
25
30
35
TIME (Seconds)
40
45
50
06506-013
0
TO-92
LFCSP (図 15 を参照)には、チップの GND に直接接続する
ベースに金属スタブがあります。このスタブを PC ボードの
GNDプレーンに接続することにより、LFCSPの熱抵抗値がほ
ADT7301の熱時定数
とんどのパッケージよりも低くなります。
06506-015
図13からわかるように、ADT7301のSOT-23とMSOPの2種類
のパッケージには同じ熱時定数を使用しています。評価データ
によれば、パッケージのタイプが熱時定数に及ぼす影響はごく
わずかです。これは、熱の大部分がパッケージのリードを経由
していることを示します。θJA(ジャンクション−周囲大気間の
熱抵抗値)とθJC(ジャンクション−ケース間の熱抵抗値)は、
表面実装のデジタル温度センサの熱応答性にはほとんど影響し
ません。
図15.
LFCSP
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AN06506-0-12/06(0)-J
一般にパッケージのタイプよりも、 GND ピンと熱源のグラウ
ンド・プレーンが効果的に接触していることのほうがはるかに
重要です。ほとんどの最新の温度センサは、消費電流がごくわ
ずかです(µAレベル)。したがって、消費電力、またこれにと
もなう自己発熱は特に懸念すべき要素とはなりません。
熱衝撃に対する応答性
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