使用熱像儀評(píng)估汽車環(huán)境中的溫度

汽車車廂內(nèi)的大多數(shù)電子器件都需要在沒(méi)有強(qiáng)制通風(fēng)冷卻的情況下，也能在高達(dá) 85°C 的環(huán)境中正常運(yùn)行。產(chǎn)品鑒定中會(huì)要求證明即使在最高環(huán)境溫度下，電路板上的所有元件和布線也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱?，F(xiàn)有的高溫測(cè)試方法采用熱電偶，但這種方法耗時(shí)并且會(huì)遺漏潛在的熱點(diǎn)。但是，熱像儀可以捕捉到這些遺漏的熱點(diǎn)，并成為了室溫測(cè)試的最佳選擇。室溫測(cè)試會(huì)遺漏只有在高溫環(huán)境中才會(huì)顯現(xiàn)的熱點(diǎn)。

但是，不建議將熱像儀插入 85°C 的溫控箱內(nèi)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)此類熱像儀在超過(guò) 70°C 的溫度下會(huì)受損。將熱像儀穿過(guò)溫控箱玻璃前方也不是有效的做法，因?yàn)椴ＡТ案駮?huì)使目標(biāo)器件的熱像圖失真。

我提出的解決方案是在一個(gè)對(duì)流溫控箱中測(cè)試電子器件，雖然溫控箱的門是打開的，但會(huì)用紙板和膠帶蓋住，只留下一個(gè)小開口，從而捕捉良好、干凈的熱像圖。使用熱電偶時(shí)，為了驗(yàn)證環(huán)境溫度是否已達(dá)到 85°C，需要將熱電偶放置在溫控箱中非?？拷軠y(cè)板的位置。熱像儀的小開口不應(yīng)該形成測(cè)試阻礙，確保熱像儀能夠在溫控箱外捕捉熱像圖。

我找到一個(gè)舊的溫控箱，下面只有加熱線圈，沒(méi)有風(fēng)扇，僅依靠對(duì)流氣流進(jìn)行熱傳導(dǎo)（圖 1）。此外，這個(gè)烘箱未配備可以在前門打開時(shí)將線圈關(guān)斷的互鎖功能。另一種可行的方案是使用較新的烘箱、斷開風(fēng)扇連接并破壞聯(lián)鎖功能，但不建議這樣做，因?yàn)橹圃焐痰谋Ｐ迣⑹А?/p>

在受測(cè)板的左側(cè)是外部實(shí)驗(yàn)室電源的 14V 輸入電源線，用于代表汽車電池電源。在受測(cè)板的右側(cè)是溫控箱內(nèi)的電阻負(fù)載連接，旨在提供 920mV/22A 輸出，用于代表應(yīng)用負(fù)載?？梢钥吹饺糜跓犭娕己洼敵鲭妷簷z測(cè)（正/負(fù)）的監(jiān)測(cè)線；這些線連接到萬(wàn)用表以監(jiān)測(cè)溫度 (Tektronix TX3) 和輸出電壓 (Fluke 87 III)。

此處采用 Blue M DV-12A（也稱“重力烘箱”）溫控箱，前門尺寸為 12 x 12 英寸（深 12.5 英寸），在測(cè)試過(guò)程中用擋板覆蓋住（如圖 1 所示）。類似的烘箱很容易買到，價(jià)格在幾百美元左右。擋板上的方孔位置需確保外部熱像儀 (Flir E75) 可對(duì)準(zhǔn)受測(cè)板上溫度最高的區(qū)域。

測(cè)試過(guò)程中，受測(cè)板通過(guò) 14V 電源供電（電流消耗約 2A），用擋板覆蓋住溫控箱門。溫控箱線圈開啟，熱電偶上的目標(biāo)溫度設(shè)置調(diào)節(jié)為 85-87°C。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程大約耗時(shí) 30 分鐘，拍攝了三張熱像圖，拍攝間隔五分鐘，旨在驗(yàn)證是否確實(shí)達(dá)到了熱穩(wěn)定狀態(tài)。此外，還監(jiān)測(cè)了實(shí)驗(yàn)室電源的輸入電流來(lái)驗(yàn)證這一穩(wěn)定狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)損耗隨著溫度升高而增加，因此在運(yùn)行期間電流消耗按預(yù)期增加了約 1%。圖 2 所示為最終熱像圖。

圖 2 最終熱像圖顯示運(yùn)行結(jié)束時(shí)的最高溫度為 131°C。請(qǐng)注意 FET 右側(cè)綠色的熱電偶圖像

在整個(gè)運(yùn)行期間監(jiān)測(cè)到的輸出電壓保持在 919mV。在運(yùn)行過(guò)程的最后 15 到 20 分鐘內(nèi)，隨著溫控箱線圈的開啟和關(guān)斷，熱電偶讀數(shù)在 85°C 和 88°C 之間變化。在九分鐘的時(shí)間跨度內(nèi)重復(fù)拍攝的熱像圖（?最高溫度相同）證實(shí)已達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。

為了驗(yàn)證環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)情況，過(guò)程中同時(shí)采用了兩個(gè)熱電偶來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度：一個(gè)如圖 2 所示，另一個(gè)位于受測(cè)板下方但靠近受測(cè)板。兩個(gè)熱電偶監(jiān)測(cè)的讀數(shù)差異在 1°C 內(nèi)。為了進(jìn)行額外驗(yàn)證，可重復(fù)此過(guò)程，即在溫度最高的 FET 上粘接熱電偶，其最高溫度比熱像儀檢測(cè)到的溫度低 4-5°C。這還表明熱像儀將捕捉熱電偶遺漏的熱點(diǎn)。

總體而言，本文展示了汽車應(yīng)用中一種成本增加適中（假設(shè)可以使用現(xiàn)有熱像儀）但更全面的環(huán)境高溫測(cè)試方法。這種方法可以發(fā)現(xiàn)早期方法所遺漏的熱失控情況。由于不必粘接多個(gè)熱電偶，因此可以節(jié)省成本；即使需要購(gòu)買二手對(duì)流烘箱，也可以通過(guò)節(jié)省的成本來(lái)輕松覆蓋這一支出。