防止过热与EMI损坏的工业级设计考量
时间：09-03
来源：互联网
点击：
作者：Rick Zarr，高速信号与数据路径技术专家
前言
工业应用中的电子控制与传感组件能在制造、加工与生产的众多方面提供支持或实现显著的性能提升。但是，电子设备必须能够承受生产钢材、石油产品与化工品等恶劣环境或是具有极端高温、多灰尘以及潮湿的矿山环境。在设计必须承受这些状况（有可能存在极强的电场与磁场）的所有系统时一定要慎重考虑这些因素。只要能够考虑到这些条件并且设计能够适应最差工况，那么这些系统无论安装在何处都能够正常运行。为了实现适用于工业应用的可行性解决方案，本文对主要设计障碍进行了探讨，同时还介绍了适用于最严酷条件的设计方案。
可靠性至关重要
在我们这个普通电话和低成本消费类电子产品无处不在的现代化世界，工程师为什么会为工厂中的周期性现场故障而焦虑呢？实际上，这既不牵涉到相关电子产品的费用也甚至可能不涉及系统维修的费用，相反，它很可能是有关安全或工厂生产力丧失的问题，其可让后者成本相形见绌。大规模制造厂的建造费用可能高达数十亿美元，而运营费用也会达到数百万。一些系统故障导致的单次停机事件就有可能耗费数天才能重新启动，而这有可能每天造成数十万美元、乃至高达数百万美元的收入损失。另外，只要发生危机生命的故障，那么造成的伤害让人难以想象。换言之，决不能让这些设施发生故障。
通常需要将电子控件安装到正常运行期间人员无法进出的区域，例如熔炉附件或大件设备的后面。这就意味着在对该可能根治系统进行操作是，应关闭生产区，禁止有人进入。安装工业系统时的期望是能够运行很多年（有时是指设施的终身寿命）而不会发生故障或者无需维护。这才是工业系统设计人员面临的真正挑战。
热管理挑战
热量是电子产品晶体管与其它组件运行时产生的副产品。其必须得到良好管理，否则温度升高会降低设备性能或造成器件损坏。要理解个中原因，只需简答了解一下半导体的制作方式就能对问题清晰明了。
集成电路（IC）制造采用扩散、退火等热处理工艺使原材料附着到结构周围和进入其内部。材料的原子在上述过程中迁移或者形成晶体结构，这在相当高的温度（1200‘C或更高）下才会出现这种现象。不过，除非IC保持绝对零度（0’k-273.15‘C），否则热运动会继续导致扩散，但比制造过程速度慢得多。
用于生产IC的硅的奇妙之处在于其与电阻及温度具有非线性关系。在室温条件下硅的电阻随IC工作温度的升高而相应升高。但是，当温度升高到一定程度（高于建议限值），则其电阻开始下降，从而造成潜在正反馈情况。此外，IC内部的各种其他系统原因也会造成这种情况，有可能导致热失控状况。随着更高电流流过，路径的电阻会由于加热而降低，最终热损伤会损坏IC。
许多电源IC的稳压器采用输出级过热关断方法来防止热失控状况永久性地损坏IC。但是，这仍然是一种故障状况，因此系统会停止继续运行。即使IC永远达不到过热关断状态，但是高温会降低长期可靠性，进而导致过早损坏。使用IC时必须遵守产品说明书的建议工况，一遍封装内部的IC裸片温度保持在安全值范围内。
为了管理设备的工作温度，制造商通常使用风扇来增强流经发热组件的气流。但是，风扇人尽皆知的特点是不具备长期可靠性。另外，工业设备通常与环境隔离，这会妨碍外部空气对其进行冷却。热量必须通过散热路径从IC引到温度更低之处。
首先从裸片这一热源开始，必须使用IC产品说明书指定的热阻来根据器件的散热速率计算热力上升。热阻抗单位为’C/W，是IC功耗和热量传输路径长度。例如，从结点（裸片）到IC外壳的热阻称为θ为结点到外壳热阻（θJC）。
这些值极其重要。例如，如果采用无限制铜面作为散热片，SOT-223 封装中 LM340 等小型线性稳压器的结点到环境空气热阻 (θJA) 大约为 50.C/W。如果输入电压为 5V，输出电压为 1.8V（通用CMOS 内核电压），负载为 1A，则稳压器的功耗为 3.2W。这就意味着，即使是采用 PCB 上的一大片表面作为散热片并且环境空气温度为20.C，裸片温度仍然会升高到160.C 。其远远超过器件的正常工作温度，有可能造成过热关断或随时间的推移逐渐损坏。
在本例中，除非外壳直接连接（除铜外）的更低热阻，否则没有其它方法可以为裸片散热。热量无法通过 PCB 铜制材料以足够快的速度排出，因此以上述功率电平无法防止内部温度升高。此处的解决方案是采用更高效的方法将5V 转换为1.8V，如LMZ10501 纳米模块开关稳压器）。另一种选择方案是采用热阻抗低得多的封装，但这不可避免地会占用更多 PCB 表面积。
与其电气同类一样，要计算温升，可连续累加热阻。例如，TRise = PDissipated × (θJC + θCA + θAE)，其中θAE 为结点到外壳热阻、θCA为外壳到环境热阻，而θJC 则为环境到外界或到设备所处大环境的热阻。选用超低热阻的封装有助于器件散热。另外，在外壳增加铝制散热片或热管有助于提供热阻更低的至空气路径。这样就能降低工作温度，从而显著提高长期可靠性。
前言
工业应用中的电子控制与传感组件能在制造、加工与生产的众多方面提供支持或实现显著的性能提升。但是，电子设备必须能够承受生产钢材、石油产品与化工品等恶劣环境或是具有极端高温、多灰尘以及潮湿的矿山环境。在设计必须承受这些状况（有可能存在极强的电场与磁场）的所有系统时一定要慎重考虑这些因素。只要能够考虑到这些条件并且设计能够适应最差工况，那么这些系统无论安装在何处都能够正常运行。为了实现适用于工业应用的可行性解决方案，本文对主要设计障碍进行了探讨，同时还介绍了适用于最严酷条件的设计方案。
可靠性至关重要
在我们这个普通电话和低成本消费类电子产品无处不在的现代化世界，工程师为什么会为工厂中的周期性现场故障而焦虑呢？实际上，这既不牵涉到相关电子产品的费用也甚至可能不涉及系统维修的费用，相反，它很可能是有关安全或工厂生产力丧失的问题，其可让后者成本相形见绌。大规模制造厂的建造费用可能高达数十亿美元，而运营费用也会达到数百万。一些系统故障导致的单次停机事件就有可能耗费数天才能重新启动，而这有可能每天造成数十万美元、乃至高达数百万美元的收入损失。另外，只要发生危机生命的故障，那么造成的伤害让人难以想象。换言之，决不能让这些设施发生故障。
通常需要将电子控件安装到正常运行期间人员无法进出的区域，例如熔炉附件或大件设备的后面。这就意味着在对该可能根治系统进行操作是，应关闭生产区，禁止有人进入。安装工业系统时的期望是能够运行很多年（有时是指设施的终身寿命）而不会发生故障或者无需维护。这才是工业系统设计人员面临的真正挑战。
热管理挑战
热量是电子产品晶体管与其它组件运行时产生的副产品。其必须得到良好管理，否则温度升高会降低设备性能或造成器件损坏。要理解个中原因，只需简答了解一下半导体的制作方式就能对问题清晰明了。
集成电路（IC）制造采用扩散、退火等热处理工艺使原材料附着到结构周围和进入其内部。材料的原子在上述过程中迁移或者形成晶体结构，这在相当高的温度（1200‘C或更高）下才会出现这种现象。不过，除非IC保持绝对零度（0’k-273.15‘C），否则热运动会继续导致扩散，但比制造过程速度慢得多。
用于生产IC的硅的奇妙之处在于其与电阻及温度具有非线性关系。在室温条件下硅的电阻随IC工作温度的升高而相应升高。但是，当温度升高到一定程度（高于建议限值），则其电阻开始下降，从而造成潜在正反馈情况。此外，IC内部的各种其他系统原因也会造成这种情况，有可能导致热失控状况。随着更高电流流过，路径的电阻会由于加热而降低，最终热损伤会损坏IC。
许多电源IC的稳压器采用输出级过热关断方法来防止热失控状况永久性地损坏IC。但是，这仍然是一种故障状况，因此系统会停止继续运行。即使IC永远达不到过热关断状态，但是高温会降低长期可靠性，进而导致过早损坏。使用IC时必须遵守产品说明书的建议工况，一遍封装内部的IC裸片温度保持在安全值范围内。
为了管理设备的工作温度，制造商通常使用风扇来增强流经发热组件的气流。但是，风扇人尽皆知的特点是不具备长期可靠性。另外，工业设备通常与环境隔离，这会妨碍外部空气对其进行冷却。热量必须通过散热路径从IC引到温度更低之处。
首先从裸片这一热源开始，必须使用IC产品说明书指定的热阻来根据器件的散热速率计算热力上升。热阻抗单位为’C/W，是IC功耗和热量传输路径长度。例如，从结点（裸片）到IC外壳的热阻称为θ为结点到外壳热阻（θJC）。
这些值极其重要。例如，如果采用无限制铜面作为散热片，SOT-223 封装中 LM340 等小型线性稳压器的结点到环境空气热阻 (θJA) 大约为 50.C/W。如果输入电压为 5V，输出电压为 1.8V（通用CMOS 内核电压），负载为 1A，则稳压器的功耗为 3.2W。这就意味着，即使是采用 PCB 上的一大片表面作为散热片并且环境空气温度为20.C，裸片温度仍然会升高到160.C 。其远远超过器件的正常工作温度，有可能造成过热关断或随时间的推移逐渐损坏。
在本例中，除非外壳直接连接（除铜外）的更低热阻，否则没有其它方法可以为裸片散热。热量无法通过 PCB 铜制材料以足够快的速度排出，因此以上述功率电平无法防止内部温度升高。此处的解决方案是采用更高效的方法将5V 转换为1.8V，如LMZ10501 纳米模块开关稳压器）。另一种选择方案是采用热阻抗低得多的封装，但这不可避免地会占用更多 PCB 表面积。
与其电气同类一样，要计算温升，可连续累加热阻。例如，TRise = PDissipated × (θJC + θCA + θAE)，其中θAE 为结点到外壳热阻、θCA为外壳到环境热阻，而θJC 则为环境到外界或到设备所处大环境的热阻。选用超低热阻的封装有助于器件散热。另外，在外壳增加铝制散热片或热管有助于提供热阻更低的至空气路径。这样就能降低工作温度，从而显著提高长期可靠性。