- 熱分析和熱設(shè)計(jì)
- 估計(jì)IC中產(chǎn)生的熱量
- 估計(jì)電路板或散熱片散掉的熱量
- 估計(jì)部件將要運(yùn)行的環(huán)境溫度
熱與冷都會(huì)對(duì)電路造成負(fù)面影響。在極高溫下，芯片可能燒毀（圖1）。更常見(jiàn)的情況是，如果你的設(shè)計(jì)達(dá)到未曾預(yù)料的溫度，很多部件都可能超出規(guī)定極限。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，電路就可能表現(xiàn)出難以預(yù)料的行為。另外一個(gè)情況也同樣值得關(guān)注，即電路溫度從熱到冷，然后又從冷到熱。這種狀況會(huì)造成熱沖擊，也會(huì)毀壞元件。很多工程師并不關(guān)心自己的電路在低溫下的性能，但這種忽視是一個(gè)錯(cuò)誤。半導(dǎo)體器件的性能在低溫下會(huì)發(fā)生顯著變化。雙極晶體管的基射結(jié)電壓在低溫下會(huì)大大升高（圖2和參考文獻(xiàn)1）。AnalogDevices產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程經(jīng)理FranciscoSantos說(shuō)：“如果你要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在負(fù)溫度下工作于1.8V的放大器，就要考慮當(dāng)從室溫降到-40℃時(shí)，VBE（基射電壓）會(huì)增加130mV。這種情況將迫使設(shè)計(jì)者采用一組完全不同的放大器架構(gòu)。”
很多放大器，如AnalogDevices的AD8045，在冷卻時(shí)會(huì)加速（圖3），而有些放大器（如AD8099）則在變冷時(shí)會(huì)降速。已退休的LinearTechnology信號(hào)處理產(chǎn)品前副總裁兼總經(jīng)理BillGross稱：“雙極晶體管在低溫下遇到的多數(shù)麻煩是低電壓工作。”他認(rèn)為，較高的基射電壓和較小的電流增益都更難于滿足規(guī)格要求。他說(shuō)：“較低的輸入阻抗和b（電流增益）的不匹配都會(huì)造成低溫下的大問(wèn)題。尤其是當(dāng)它們?yōu)槭覝剡\(yùn)行作了調(diào)整時(shí)。較高的gm（跨導(dǎo)）很容易通過(guò)改變工作電流而得到補(bǔ)償，但這樣的話轉(zhuǎn)換速率就會(huì)變化。”
低溫會(huì)造成振蕩、不穩(wěn)定、過(guò)沖，以及不良的濾波性能。百萬(wàn)分之幾測(cè)量法可以改變你的元件在高溫和低溫下的值。如果你預(yù)計(jì)IC內(nèi)核工作在-55℃~+85℃，則在25℃環(huán)境下只需60℃就到了最高溫度上限，而從環(huán)境溫度到-55℃是80℃溫差。所以，要查明你的錯(cuò)誤就應(yīng)檢查熱與冷兩種情況。Kettering大學(xué)（密歇根州Flint）電氣工程教授JamesMcLaughlin認(rèn)為，當(dāng)你將硅片加熱超過(guò)數(shù)百度時(shí)，它會(huì)“本質(zhì)化”。換句話說(shuō)，溫度足夠高時(shí)，摻雜物會(huì)通過(guò)晶格作遷移，不再存在PN結(jié)，而只是一塊不純的導(dǎo)電硅片。那么連接線是否會(huì)爆炸？還是硅片繼續(xù)加熱至熔融，直至揮發(fā)掉？
IC在較高溫度下運(yùn)行時(shí)的損壞難以捉摸。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的顧問(wèn)和前產(chǎn)品工程師MartinDeLateur指出，在高于165℃的溫度時(shí)，模塑材料開(kāi)始碳化。此時(shí)，模塑材料會(huì)轉(zhuǎn)變成為一種堅(jiān)硬的灰色材料。釋氣，即某些材料捕捉、冷凍、吸收或吸附的氣體的緩慢釋放，會(huì)造成聚合添加物如阻燃劑的釋放。在低電平下，這種釋氣可以影響一片IC的長(zhǎng)期和短期運(yùn)行，因?yàn)樗o芯片增加了離子或表面效應(yīng)。連接線可能傳輸過(guò)高的電流，也會(huì)造成模塑材料的碳化。過(guò)高的電流會(huì)使碳管硬化，它可能使連接線熔化，從而保持管內(nèi)導(dǎo)電狀態(tài)。最后，更高的熱擴(kuò)張會(huì)使鈍化層、內(nèi)核，或碳化模制化合物產(chǎn)生開(kāi)裂，導(dǎo)致大規(guī)模故障。（軍用規(guī)范將過(guò)高電流定義為超過(guò)1.2×105A/cm2，因此軍隊(duì)強(qiáng)烈要求IC采用全密封的封裝。）當(dāng)內(nèi)核上沒(méi)有塑料材料時(shí)，就不會(huì)發(fā)生燒焦和退化現(xiàn)象。油井儀器公司經(jīng)常以200℃對(duì)使用在自己產(chǎn)品中的硅IC進(jìn)行測(cè)試并確定其特性。這些產(chǎn)品壽命有限，但工作時(shí)間仍比它們采用塑料封裝的情況要長(zhǎng)得多。即使內(nèi)核溫度低于150℃，IC的壽命周期也會(huì)縮短。
1884年，荷蘭化學(xué)家JacobusHvan tHoff率先提出了Arrhenius方程，而瑞典化學(xué)家SvanteArrhenius則在五年后對(duì)其作了物理驗(yàn)證和解釋。這個(gè)方程是：k=Ae(-Ea/RT)，其中k是速率系數(shù)，A是一個(gè)常量，Ea是活化能量，R是普適氣體常數(shù)，而T是以。k為單位的溫度。Arrhenius最初將該方程用于化學(xué)反應(yīng)，描述反應(yīng)速度隨溫度而加快（參考文獻(xiàn)2與參考文獻(xiàn)3）。今天的工程師們也用它描述電子器件在高溫下工作時(shí)的較短壽命。方程表明，溫度每升高10℃，器件的壽命減半。因此，降低設(shè)計(jì)中硅片的溫度很重要。如果你能將IC溫度從85℃降低到65℃，這些元件的壽命就能增加四倍。
問(wèn)題的根源不僅出自熱或冷的靜態(tài)狀態(tài)，也可能是出在一個(gè)溫度到另一個(gè)溫度的轉(zhuǎn)變過(guò)程中。在極端情況下，熱沖擊會(huì)將電路板和器件裂成碎片。溫度梯度（會(huì)產(chǎn)生小電壓誤差）也可以由于焊接材料和管腳材料的熱電偶效應(yīng)而產(chǎn)生麻煩（參考文獻(xiàn)4）。此外，溫度梯度本身可以是動(dòng)態(tài)變化的。已故的BobWidlar是一位開(kāi)創(chuàng)型的電子工程師，曾就職于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體、Fairchild、Maxim和LinearTechnology，他曾收到過(guò)一個(gè)在1kHz時(shí)壞掉的原型硅片。Widlar認(rèn)為熱波來(lái)自于輸出晶體管的輻射。這些熱波會(huì)通過(guò)硅內(nèi)核均勻散播。問(wèn)題是，這片IC有兩個(gè)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，它與輸出晶體管的距離不相等。在1kHz工作頻率下，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之一處于一個(gè)熱谷中，而另一個(gè)則位于一個(gè)熱峰。這種情況會(huì)導(dǎo)致偏置電流的不均衡，使器件無(wú)法正常工作。由于這些熱梯度，有些電源設(shè)計(jì)者更喜歡用控制器，而不是內(nèi)置功率FET的IC。使用控制器時(shí)，F(xiàn)ET的熱量不會(huì)流過(guò)相同內(nèi)核、放大器和基準(zhǔn)電路。
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熱分析
電路的熱分析分三個(gè)步驟。首先估計(jì)IC中產(chǎn)生的熱量。然后，估計(jì)電路板或散熱片散掉的熱量。最后，估計(jì)部件將要運(yùn)行的環(huán)境溫度（圖4）。在估計(jì)元件產(chǎn)生的熱量時(shí)，DC分析通常沒(méi)什么價(jià)值。一只電壓為1V、流過(guò)1A電流的電阻器，會(huì)產(chǎn)生1W的熱量。但是，要估計(jì)交流或未確定的信號(hào)所產(chǎn)生的熱量就比較麻煩。首先，從電源端到接地腳的靜態(tài)電流總是在耗散一個(gè)直流功率。一個(gè)采用10V電源和5mA靜態(tài)
電流的器件會(huì)產(chǎn)生50mW熱量。但是，在運(yùn)行中，該靜態(tài)電流可能有所變化。偏置電流和基極驅(qū)動(dòng)電流通常在遇到交流信號(hào)時(shí)會(huì)增加。最大的挑戰(zhàn)是計(jì)算出器件輸出電流所產(chǎn)生的熱量。這種估算可能并不簡(jiǎn)單。一只器件為一個(gè)負(fù)載提供的功率是可變化的，但是，如果輸出晶體管是常開(kāi)或常閉狀態(tài)，則器件內(nèi)部消耗的功率就相對(duì)較小。如大多數(shù)放大器所使用的傳統(tǒng)圖騰柱輸出級(jí)，輸出一個(gè)滿擺幅方波時(shí)發(fā)熱并不是最大。IC內(nèi)最糟的發(fā)熱情況是器件輸出一個(gè)方波，其振幅是電源范圍的一半。如果器件工作在±12V電壓，則±6Vp-p的方波就會(huì)在輸出級(jí)產(chǎn)生最大的熱量。
正弦波輸出的內(nèi)部發(fā)熱較低。如果信號(hào)很復(fù)雜或者比較亂，則很難估計(jì)IC內(nèi)真實(shí)的最差情況下發(fā)熱狀況。如有含有大電容和大電感元件的電抗性負(fù)載，則功耗估計(jì)工作會(huì)更加復(fù)雜。因?yàn)殡妷汉碗娏鞑皇峭辔唬虼擞嘘P(guān)半振幅方波的簡(jiǎn)單假設(shè)也不可行。
如果你能確定IC通過(guò)信號(hào)的特性，就可以用Spice來(lái)估算功耗。此時(shí)必須保證使用恰當(dāng)?shù)腟pice模型，它們對(duì)一些測(cè)試信號(hào)給出合理的結(jié)果，而功耗計(jì)算此時(shí)沒(méi)有價(jià)值。圖5表示一個(gè)Spice圖。芯片的功耗不同于到達(dá)負(fù)載的功率。圖6是圖5示意圖的Spice曲線圖。它以紅線表示啟動(dòng)的振蕩。電路是否會(huì)發(fā)生這種振蕩只是個(gè)人的猜測(cè)，但它應(yīng)該會(huì)使你在建立原型后查看這種行為。記住，在OrcadCapture上點(diǎn)擊W鍵只能顯示芯片的靜態(tài)功耗。要獲得工作時(shí)的功耗，要用示意圖上的功率標(biāo)記，然后用曲線程序的rms-math函數(shù)，給出器件的平均功耗。
電路板或散熱器會(huì)通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射方式，將IC的熱量散發(fā)出去。傳導(dǎo)散熱主要是通過(guò)金屬引線框和電路板上銅箔。一旦電路板銅箔或分立散熱片傳導(dǎo)出熱量，就為對(duì)流散熱提供了足夠?qū)崃可⒉サ娇諝庵械谋砻娣e。輻射很難是一種散熱的可行方法。衛(wèi)星設(shè)計(jì)者采用輻射方式，因?yàn)闆](méi)有其它方法可以去除系統(tǒng)中的熱量。由于空間的輻射溫度接近于絕對(duì)零度，因此存在足夠大的溫差，使大量的熱能可以傳輸?shù)娇臻g中，使衛(wèi)星上的電子設(shè)備不會(huì)過(guò)熱燒毀。
對(duì)流散熱也有一些困難。例如，氣流對(duì)商用散熱片的影響（圖7）。注意，在高溫下，熱阻會(huì)增加五倍。使用強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱片有較薄、間距更近的鰭片，比如一款風(fēng)扇式CPU冷卻器。如果你的產(chǎn)品沒(méi)有風(fēng)扇，則IC產(chǎn)生的熱量會(huì)傳導(dǎo)和散播出來(lái)，然后傳送到機(jī)內(nèi)的空氣中。接下來(lái)，隨著整個(gè)機(jī)器溫度的上升，熱量通過(guò)對(duì)流傳送給周圍的空氣，如果你把機(jī)器放在腿上，則部分熱量也會(huì)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)。外殼材料的熱阻就變得很重要。熱量從內(nèi)向外的傳送速度，塑料殼要慢于金屬殼。
做噴氣戰(zhàn)斗機(jī)非機(jī)艙電子設(shè)備的工程師知道，一架噴氣飛機(jī)要飛到高達(dá)7萬(wàn)英尺的高空。在這個(gè)高度，空氣非常稀薄，對(duì)流冷卻是無(wú)效的。這些系統(tǒng)有一個(gè)帶乙二醇冷卻通道的冷板，確保冷板溫度不高于80℃。每個(gè)部件都與一個(gè)金屬散熱器保持物理接觸，散熱器將元件熱量傳送至電路板的邊沿。在電路板的邊沿，一個(gè)傳熱的夾鉗系統(tǒng)將這個(gè)散熱器壓緊在機(jī)殼的一側(cè)。機(jī)殼的側(cè)面將熱量傳給機(jī)殼所在的冷板。導(dǎo)熱油脂可保證將最多的熱量傳送給冷板，并確保從IC到散熱片的最大傳導(dǎo)。
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