- 用熱阻來(lái)計(jì)算芯片的溫度?！ ?/strong>
- ESD二極管和溫度探頭有助測(cè)量熱量
- 熱成像相機(jī)可以揭示設(shè)計(jì)中隱藏的問(wèn)題
- Spice與有限元分析軟件在熱設(shè)計(jì)中很有用
多數(shù)電子工程師都很熟悉用熱阻作為一種熱分析技術(shù)。熱阻的表示單位是每瓦攝氏度。只需簡(jiǎn)單地乘以第一步估計(jì)的瓦數(shù)，就可以獲得部件將增加的溫度（攝氏度）。但這里需注意幾個(gè)問(wèn)題，要查看部件數(shù)據(jù)表上有關(guān)熱阻規(guī)格的隱藏信息。從內(nèi)核到外殼的熱阻ΦJC不是一個(gè)有用的測(cè)量值。半導(dǎo)體制造商的IC或封裝設(shè)計(jì)者可能關(guān)心的是當(dāng)熱量從內(nèi)核流至外殼時(shí)IC的溫升，但你需要更多的信息。你在數(shù)據(jù)表上經(jīng)?？吹降南乱粋€(gè)規(guī)格是從節(jié)點(diǎn)到外界的熱阻ΦJA。該值表示的是當(dāng)部件未連散熱片或未焊到PCB（印制電路板）上時(shí)的溫升。
德州儀器的DarvinEdwards指出，ΦJA對(duì)多數(shù)試圖預(yù)測(cè)結(jié)溫的工程師來(lái)說(shuō)是沒(méi)有用處的。他說(shuō)：“有用的是從內(nèi)核到電路板的熱阻（ΦJB），以及從內(nèi)核到封裝表面的熱阻（ΦJC）。我們用兩個(gè)JEDEC（聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)電路板測(cè)量ΦJA，讓工程師們看到它并不是一個(gè)封裝常量。一個(gè)電路板是單面的，另一個(gè)是多層電路板。如果你有ΦJB和ΦJC規(guī)格，就有更好的機(jī)會(huì)來(lái)估計(jì)IC的真實(shí)溫升。”他還指出，工程師們必須記住ΦJA測(cè)量時(shí)電路板上沒(méi)有其它芯片。當(dāng)IC周圍有電源和其它散發(fā)熱量的芯片時(shí)，以及當(dāng)電路板處于一個(gè)空間有限的無(wú)風(fēng)扇塑料外殼中時(shí)，實(shí)際溫升會(huì)高于ΦJA測(cè)量給出的值（圖8）。還要記住，多數(shù)IC的塑料頂面都幾乎不傳送熱量。環(huán)氧樹脂塑料的熱傳導(dǎo)能力為0.6W/mK～1W/mK（米-開爾文），而銅的導(dǎo)熱能力是400W/mK。因此，銅的導(dǎo)熱能力比塑料高400倍~600倍，重要的是PCB設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)的最大化。
估算電路板散熱還有更多的復(fù)雜方法。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的Webench在線設(shè)計(jì)工具采用Flomerics的Flotherm熱分析軟件，計(jì)算靜止空氣中的器件溫度。所有一般的仿真注意事項(xiàng)均適用。如果你的電路有風(fēng)扇和一些氣流，其溫升就較低。如果有機(jī)箱，里面還有其它器件，其溫升就高。Flomerics采用有限元方案技術(shù)（參考文獻(xiàn)5）。圖9顯示了一個(gè)計(jì)算機(jī)機(jī)殼發(fā)熱與氣流的分析結(jié)果。很多其它有限元解算器也可以分析這種問(wèn)題。例如，Comsol的一個(gè)解算器可以完成多重物理分析，可以解算超過(guò)一個(gè)問(wèn)題的偏微分方程，如一只部件的熱響應(yīng)，部件的導(dǎo)熱性能隨其溫度而變化。TI的Edwards指出，他的公司提供二種級(jí)別的熱建模抽象：ΦJB熱阻，以及Delphi緊湊模型標(biāo)準(zhǔn)。Flotherm、Icepak和很多其它熱分析程序都使用這些模型?！ ?br />
熱分析中的最后一步是估計(jì)環(huán)境溫度，這步十分重要。一輛采用風(fēng)冷引擎的摩托車在駕駛時(shí)會(huì)遇到周圍環(huán)境的某種溫升。如果環(huán)境空氣升高10℃，則氣缸頭溫度也會(huì)上升。電子系統(tǒng)也一樣。例如，實(shí)驗(yàn)室空氣為25℃，工作臺(tái)上的芯片工作在50℃。當(dāng)將這些芯片放到50℃的環(huán)境溫度下，芯片的溫度將達(dá)到75℃。在這個(gè)熱分析步驟中，工程師們有時(shí)無(wú)法確定器件可能要運(yùn)行的環(huán)境情況。除了簡(jiǎn)單的運(yùn)行以外，這些部件還必須能存留下來(lái)。例如，汽車廠用于車身重新噴漆的烤爐會(huì)使所有電子設(shè)備暴露在高溫下，超過(guò)汽車在使用壽命中遇到的溫度。部件能耐過(guò)這種條件，因?yàn)槠囍圃焐淘谶@個(gè)過(guò)程中不會(huì)給它們通電。很多工程師無(wú)法判斷環(huán)境會(huì)達(dá)到何種極端境地。我們都知道，外層空間中的衛(wèi)星溫度可以低至只比絕對(duì)零度高幾度，而當(dāng)它們從太陽(yáng)陰影中移出時(shí)則會(huì)達(dá)到攝氏幾百度?！ ?br />
地球上也存在著挑戰(zhàn)性的環(huán)境。美國(guó)尼桑公司測(cè)試開發(fā)工程師BruceRobinson在亞利桑那州的汽車沙漠試驗(yàn)場(chǎng)工作。他說(shuō)，尼桑一般估算的最高溫度如下：白天環(huán)境溫度46℃，車內(nèi)空氣溫度81℃，儀表板表面最高溫度111℃，車內(nèi)元件溫度82℃。換句話說(shuō)，你可以在儀表板上燒開水。如果你設(shè)計(jì)車用電子設(shè)備，一定要考慮到這些。
無(wú)疑，當(dāng)大多數(shù)工程師沒(méi)有理解環(huán)境溫度的嵌套程度時(shí)，他們就會(huì)失敗。例如，假設(shè)要設(shè)計(jì)一個(gè)部件，用于CD播放機(jī)的光學(xué)拾取裝置（圖10）。你可能會(huì)這么假設(shè)，由于該部件用于消費(fèi)產(chǎn)品，它可能工作在0℃~70℃。但好好想想吧。實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上的部件可能是工作在25℃環(huán)境下。而光功率件是要安裝在CD驅(qū)動(dòng)器里，驅(qū)動(dòng)器中有其它元件在加熱空氣，該裝置可能不裝風(fēng)扇。更糟糕的是，播放機(jī)裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器必須工作在這種環(huán)境溫度下。計(jì)算機(jī)內(nèi)部有自己的熱源和風(fēng)扇，這個(gè)溫度上再加上外部環(huán)境溫度，因此，在工作臺(tái)上測(cè)得的25℃室溫，到了計(jì)算機(jī)內(nèi)就是40℃，CD驅(qū)動(dòng)器內(nèi)是50℃。現(xiàn)在，如果你把計(jì)算機(jī)放在厄瓜多爾的一個(gè)很熱的閣樓上，情況又該如何？這個(gè)部件必須工作在遠(yuǎn)高于70℃的環(huán)境溫度下。你的職責(zé)是確保它仍能滿足規(guī)范，并且高溫不會(huì)顯著縮短產(chǎn)品的壽命。
現(xiàn)實(shí)情況
終于完成了設(shè)計(jì)估算和Spice仿真，但在開發(fā)過(guò)程中的某些時(shí)間內(nèi)，還必須面臨設(shè)計(jì)內(nèi)容的現(xiàn)實(shí)性。現(xiàn)實(shí)性包括以正確的形式將電路原型化、安裝和最后修整。然后，你可以動(dòng)用各種測(cè)量技術(shù)，來(lái)驗(yàn)證迄今用到的所有美妙理論。重要的是盡可能近似地重現(xiàn)預(yù)期的工作環(huán)境。你應(yīng)優(yōu)先確定電路是否會(huì)被破壞，接下來(lái)電路是否會(huì)保持良好狀態(tài)，最后，電路能否在所有條件下都如預(yù)期一樣運(yùn)行?！ ?br />
你可能還記得1998年9月2日瑞士航空公司111航班的空難事件，原因是不良設(shè)計(jì)和安裝的機(jī)載娛樂(lè)系統(tǒng)（參考文獻(xiàn)6）。機(jī)載娛樂(lè)網(wǎng)絡(luò)路連線的電弧引著了絕緣層上的可燃覆蓋物，并快速蔓延到其它可燃材料。如果生產(chǎn)該系統(tǒng)的小型企業(yè)設(shè)計(jì)者堅(jiān)持在乘客艙所處的8000英尺高度作測(cè)試，他們就會(huì)知道磁盤驅(qū)動(dòng)頭過(guò)于靠近母板，整個(gè)系統(tǒng)的熱量都難以消除。TI的Edwards指出，在1萬(wàn)英尺高空，系統(tǒng)的對(duì)流冷卻能力減少20%。驗(yàn)證與現(xiàn)實(shí)相關(guān)的所有工程假設(shè)是保證設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電氣性能和熱性能的唯一方法。瑞士航空公司111航班機(jī)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者忽略了這種實(shí)際檢查，因而229名乘客失去了生命。
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所有工程師都有兩種重要的測(cè)量設(shè)備，即他們的觸覺和嗅覺。大多數(shù)人都非常熟悉電子元件燒熔的刺鼻氣味。有良好嗅覺能力的人甚至能聞到一只芯片接近70℃時(shí)發(fā)出的微妙氣味。另外也可以在不含致命電壓的電路中很好地使用觸覺功能，如果能將手指在部件上放住5秒鐘以上，則部件溫度就低于70℃。多數(shù)人會(huì)過(guò)高地估計(jì)自己手指感受到的熱量，通常，他們會(huì)把只有50℃的溫度估計(jì)為70℃。如果你潤(rùn)濕手指，再擦過(guò)部件，而部件發(fā)出嘶嘶聲，那么你就有麻煩了，因?yàn)槿魏尾考囟雀哂?00℃都是壞消息。同樣，實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)的環(huán)境溫度是最有利的環(huán)境?！ ‘?dāng)你完成了粗略估計(jì)后，還必須
做一些實(shí)際測(cè)量。多數(shù)DVM（數(shù)字電壓計(jì)）都有可以連接熱電偶的配件。Fluke和其它供應(yīng)商制造的手持儀器可以用到兩只熱電偶，用于測(cè)量芯片溫度及其周圍的環(huán)境溫度。你應(yīng)該測(cè)量IC的溫度比環(huán)境溫度升高的量。NationalInstruments、IOTech和很多其它數(shù)據(jù)采集設(shè)備制造商都可以幫助你用幾百種熱電偶、熱敏電阻和鉑RTD（電阻溫度探測(cè)器）傳感器建立測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于傳感器的尺寸和線纜的規(guī)格要特別小心。當(dāng)測(cè)量一只小型IC時(shí)，熱電偶的導(dǎo)線也會(huì)傳導(dǎo)熱量，就像散熱器一樣，這種傳導(dǎo)降低了測(cè)得的溫度。
很多制造商還提供非接觸式IR（紅外）探測(cè)器，但當(dāng)使用這些設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意你所測(cè)量表面的發(fā)射率。“發(fā)射率”是一個(gè)表面熱輻射的一種量度，即一個(gè)物體輻射出的能量與一個(gè)“黑體”（或熱黑體表面）輻射熱量之比。一個(gè)黑體是一個(gè)完美的熱能輻射器，它輻射出所有吸收的能量，發(fā)射率為1。作為比較，發(fā)射率為0的材料將是一種完美的熱反射鏡（參考文獻(xiàn)7）。一個(gè)光亮的金屬外殼有低的發(fā)射率，因此產(chǎn)生低于實(shí)際溫度的讀數(shù)。經(jīng)平滑處理黑漆表面的發(fā)射率為1，這就是IR探測(cè)器測(cè)得的值。如要讓電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)1的發(fā)射率，可以用經(jīng)過(guò)平滑處理的黑漆噴涂表面，或在金屬外殼上放一塊透明帶，使發(fā)射率值接近于1?！ ?br />
即使當(dāng)器件在電路中工作時(shí)，許多聰明的半導(dǎo)體制造商都會(huì)自己測(cè)量?jī)?nèi)核本身溫度，他們用的是一片IC的每個(gè)輸入、輸出和控制腳上都有的ESD（靜電放電）二極管（圖11）。你可以將這種方法用于有復(fù)位或CS（片選）腳的IC，也可以用多個(gè)其它腳作測(cè)量。由于二極管的正向壓降與電流成正比，你可以將芯片放入烤箱，使小電流通過(guò)ESD二極管。業(yè)內(nèi)很多人認(rèn)為，100mA的電流不會(huì)造成二極管的任何自熱現(xiàn)象。你不需要為部件加電來(lái)測(cè)量二極管電壓，你可以用電源腳上或接地腳下的任何輸入或輸出腳。管腳內(nèi)部的ESD二極管會(huì)將該腳箝位在大約0.6V。如果是復(fù)位腳，它需要在部件工作時(shí)保持高電平，則將該腳上拉到電源腳。當(dāng)烤箱溫度上升時(shí)，ESD二極管的正向壓降從大約0.7V降到0.53V。
同樣，如果多余管腳是片選腳，它必須在IC工作時(shí)保持為低電平，則可以將該腳拉低到接地腳，并從ESD二極管獲得數(shù)據(jù)。如果該腳是輸出腳，則要與制造商聯(lián)絡(luò)，以確認(rèn)沒(méi)有外部電流會(huì)妨礙全部100mA電流穿過(guò)二極管。你必須對(duì)每種IC測(cè)量這個(gè)數(shù)據(jù)，不同工藝有不同的電壓/過(guò)溫關(guān)系。當(dāng)你準(zhǔn)備對(duì)電路中運(yùn)行IC作測(cè)量時(shí)，在管腳注入100mA使其升至VCC以上，或從該腳拉出100mA，將其降到接地以下。然后，就可以測(cè)量電壓差，并推算內(nèi)核的溫度。
ESD方法雖有價(jià)值，但也有限制。如果IC提供數(shù)百毫安電流，則在VCC或接地的金屬線和連接線內(nèi)部就會(huì)有電壓降。這些電壓降可能對(duì)ESD二極管電壓的測(cè)量值有增、減作用。你應(yīng)該向應(yīng)用小組，甚至IC設(shè)計(jì)者咨詢是否會(huì)出現(xiàn)這種情況。為抵消電壓降，可以在測(cè)量時(shí)停止供電。注意硅片的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)是微秒級(jí)，因此你必須用一臺(tái)快速示波器或采集系統(tǒng)測(cè)量，保證測(cè)到的不是二極管已經(jīng)冷卻后的ESD二極管正向電壓?！ ?br />
有關(guān)ESD二極管方法的另一個(gè)擔(dān)心是，IC芯片并不是等溫的，即它們?cè)诳臻g和時(shí)間上都不具備相等或恒定溫度。測(cè)量ESD二極管時(shí)并不能永遠(yuǎn)保證測(cè)到的是內(nèi)核的最熱點(diǎn)。這里關(guān)注的是ESD二極管，它總是在芯片的邊沿，低于輸出晶體管的溫度。你可以獲得IC工作時(shí)的IR熱成像圖（圖12）。圖中明亮的白點(diǎn)比ESD二極管所在的內(nèi)核邊沿高25℃。當(dāng)器件工作在高溫下時(shí)，可能需要降級(jí)使用（參考文獻(xiàn)8）。在150℃時(shí)，器件可能不能滿足電路的要求。
還有一種與ESD二極管技術(shù)等值的方法，可測(cè)量FET的溫度，即使FET正在工作。這種方法利用了一種現(xiàn)象，即FET導(dǎo)通電阻與其溫度成正比。FET的溫度越高，導(dǎo)通電阻就越大。通過(guò)記錄各種溫度下的導(dǎo)通電阻，就可以在FET工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)測(cè)量其上的電壓和通過(guò)的電流，從而推算出FET的溫度。這種方法甚至可以用于電源芯片中集成的FET。記住自熱總是電子電路中的一個(gè)隱蔽的現(xiàn)象，因此，當(dāng)在烤箱中獲取導(dǎo)通電阻數(shù)據(jù)的時(shí)候，必須為FET加一個(gè)短暫的快速上升脈沖電流，以保證內(nèi)核與烤箱有相同的溫度?！ ?br />
做測(cè)量只是檢查真實(shí)情況，驗(yàn)證自己的假設(shè)與估算的一個(gè)部分。如果沒(méi)有可用的環(huán)境溫度，你還必須自己創(chuàng)造出來(lái)。汽車公司會(huì)在亞利桑那州和加拿大做跟蹤測(cè)試，對(duì)于電子測(cè)試，采用臺(tái)面測(cè)試室或溫度強(qiáng)制系統(tǒng)，如Thermonics的T-2500E型（圖13）。要確保使用的電纜和測(cè)試線可以承受熱量。BrownBNC電纜有較高的額定溫度，優(yōu)于更常用的黑色U58型線（參考文獻(xiàn)9）。熱風(fēng)槍的快速氣流就可以加熱IC，但要小心，IC可能很容易被熱風(fēng)槍毀壞。制
冷噴霧器某種程度上比較安全，但也有在電路上結(jié)霜造成電路短路的缺點(diǎn)。測(cè)試室可以建立大氣環(huán)境，包括溫度、壓力和濕度，你需要用這三方面來(lái)完全模擬實(shí)際的環(huán)境。 總之，必須在設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)時(shí)牢記熱設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)，小心可以毀掉設(shè)計(jì)的外部影響。與增加自有電路的其它工程師作交流，這些電路會(huì)增加或減少你電路中的熱量。同樣重要的是與小組中的機(jī)械工程師交流熱問(wèn)題。他們可能是你確保良好熱設(shè)計(jì)的最佳伙伴。如果經(jīng)理準(zhǔn)備去掉風(fēng)扇，并將外殼從金屬改為塑料時(shí)，你應(yīng)該準(zhǔn)備好熱電偶和測(cè)試室，向他表明這不是個(gè)好主意。
