使用熱像儀評估汽車環境中的溫度

作者 : Josh Mandelcorn,德州儀器(TI)應用工程師

本文展示了一種成本適中的、更全面的、用於汽車的高溫環境驗證的方法(假設現有熱像儀可用)。此方法將彌補早期方法忽略的熱耗散情況。如購買二手對流烤箱,則無需膠黏多個熱電偶,可節省大量成本。

汽車駕駛室中的多數電子元件必須能夠在無通風冷卻、且溫度高達85℃的條件下運作。符合認證資質的產品需要確保即使在最高環境溫度下,電路板上的任何元件或走線也不會過熱。目前使用熱電偶在高溫環境下進行室溫測試的方法,可能會消耗大量時間且會遺漏潛在的熱源,而採用熱像儀將覆蓋這些遺漏熱點,此種方法已成為室溫測試的最佳實踐,以下討論的室溫測試將忽視僅在較高溫度的環境中才會變得明顯的熱效應。

但是,建議不要將熱像儀直接放入85℃的室內,因為多數此類熱像儀無法保證在70℃以上的高溫環境中工作而不損壞。將熱像儀對準熱室前端的玻璃窗也無法發揮作用,因為玻璃窗會使來自目標元件的熱像失真。

本文提議的解決方案是:在門敞開著的對流熱室中測試電子元件,同時用硬紙板和膠帶製作擋板並遮蓋熱室敞開的正面,僅在熱像儀採樣處留一個小開口,以獲取良好、清晰的熱成像。熱電偶將被置於極其靠近被測電路板的熱室內,以驗證是否已達到85℃的環境,位於熱室外的熱像儀不受擋板阻擋,以獲取實際影像。

我找到一個舊烤箱來模擬熱室環境,其下方僅有加熱線圈,無風扇,僅依靠對流氣流進行熱傳導(圖1)。此外,此烤箱前門打開時無可關閉線圈的互鎖裝置。當然也可以使用較新的烤箱、斷開風扇連接並關閉互鎖設置,但不建議這樣做,因為烤箱的製造商將不對此提供保固。

圖1 實驗裝置的烤箱熱室。

 

圖2 實驗裝置的擋板。

被測電路板的左側是來自代替汽車電池的外部實驗電源的14V輸入電源線。電路板右側是熱室內電阻的負載連接,以22A、920mV輸出,用以代表應用負載。圖中還可看到用於熱電偶和輸出電壓感應(正負)的三根監控線,其使用萬用表監測溫度和輸出電壓。

特製烤箱熱室,其前部開口為12 × 12英吋、深12.5英吋。測試過程中其被擋板(圖2)覆蓋。類似的烤箱往往容易買到,價格在數百美元左右,擋板上開孔的位置可使外部熱像儀聚焦在被測電路板上最熱的區域。

測試過程中,用14V的分流電壓、近2A的電流為電路板供電,並將擋板置於熱室開口處。打開烤箱熱室線圈,並將設置調整為熱電偶的目標溫度85~87℃。整個過程耗時約30分鐘,同時拍攝了三幅熱像,熱像拍攝時間間隔為5分鐘,以驗證是否確實達到熱穩定性。還監測了來自實驗電源的輸入電流,以驗證熱穩定性。由於溫度升高,轉換器中的傳導損耗增加,因此運作過程中,電流消耗比預期增加了約1%,圖3所示為最終的熱成像。

圖3 最終的熱成像顯示運作結束時的最高溫度為131℃,請注意FET右側的綠色熱電偶影像。

整個運作過程中監控的輸出電壓保持在919mV。在運行的最後15~20分鐘內,隨著熱室線圈的開啟和關閉,熱電偶讀數在85~88℃之間變化,而在9分鐘的時間範圍內以相同的最高溫度重複出現的熱成像證明熱穩定性已被實現。

運作兩個熱電偶來驗證對環境溫度的監測。一個如圖3所示,另一個略低於電路板。兩台監測器的讀數差距在1℃以內。為進一步驗證,將黏在最熱的FET上的熱電偶重複運作,其最高溫度比熱像儀所拾取的溫度低4~5℃,這也說明熱像儀將擷取被熱電偶忽略的熱點。

總的來說,本文展示了一種成本適中的、更全面的、用於汽車的高溫環境驗證的方法(假設現有熱像儀可用)。此方法將彌補早期方法忽略的熱耗散情況,如購買二手對流烤箱,則無需膠黏多個熱電偶,可節省大量成本。

(參考原文:Power Tips #101: Use a thermal camera to assess temperatures in automotive environments,by Josh Mandelcorn)

本文同步刊登於EE Times China 2021年2月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

 

 

加入LINE@,最新消息一手掌握!

 Line For EETT and EDNT

發表評論