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电子系统PCB与环境温度实时监测的几点电路设计实践

时间:2021-08-04 阅读:
电路工作温度范围是硬件设计工程师的基本常识,针对不同应用领域,需要选择适合不同环境温度范围的集成电路器件。环境温度带来的挑战,除了在电路设计中充分考虑温度可靠性还需要兼顾电路系统的温度监测,实时确保温度范围在允许范围内,在出现极端温度情况时有预警机制,环境温度测量和PCB温度测量就是其中两个重要的步骤,如何准确的实现环境温度和PCB板上温度的测量呢?
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电路工作温度范围是硬件设计工程师的基本常识,针对不同应用领域,需要选择适合不同环境温度范围的集成电路器件。例如,汽车应用温度范围是-40ºC至+125ºC,如此宽泛的工作温度范围对于手机等消费电子来说完全不合时宜的性能浪费,过高的性能意味着更高的成本。而对于像航空工业、深井钻探等极端应用来说,高温耐受性是必须考虑的设计因素,例如飞机发动机附近的环境温度需要宽泛到–55°C至+200°C。

环境温度带来的挑战,除了在电路设计中充分考虑温度可靠性还需要兼顾电路系统的温度监测,实时确保温度范围在允许范围内,在出现极端温度情况时有预警机制,环境温度测量和PCB温度测量就是其中两个重要的步骤,如何准确的实现环境温度和PCB板上温度的测量呢?

热传递的三种机制

热量的传递通常是从高温物体到低温物体。通过强制系统(如冰箱)进行能量传递,热量可以从冷的区域传递到热的区域。热传递可以通过三种基本方法实现:

图1:热传递的三种机制

传导是PCB中最普遍的热传递方法。从微观角度看,传导是指激烈、快速移动或振动的原子和分子与邻近的原子和分子相互作用,将它们的一部分能量(热量)传递给这些相邻的原子。如果PCB的一端温度较高,能量会向PCB温度较低的一端传递。高速粒子碰撞低速粒子时,会与低速粒子发生净能量传递。如果热的物体与冷的物体之间导热介质(如铜)的面积增加,那么热量传递会更快。同样地,如果铜的面积减小,传热率也会减小。通过常识可以推断,两个物体距离越远,冷的物体变热所需的时间就越长。

对流通常是液体和气体热传递的主要形式。此术语用于描述传导与流体流动的组合效应。流体中热或冷成分的运动,加上由传导引起的热传递,共同引起了对流中的热量传递。此外,辐射传递也PCB热传递的一个主要方式。辐射是唯一不需要任何介质的热传递形式,也是通过真空进行热传递的唯一方式。热辐射是材料中的原子和分子运动的直接结果。由于辐射量随着温度的升高而增加,这样就会产生从较高温度到较低温度的净能量传递。

在这些热传递的模式中无疑传导是最普遍最主要的模式——如果PCB的一-端温度较高,能量会向PCB温度较低的一端传递。高速粒子碰撞低速粒子时,会与低速粒子发生净能量传递。铜是极好的导热体,因此在很多PCB设计中用于热源的散热。银和金刚石是仅有的两个具有更好热传导系数的材料。明白热传递的模式后,对PCB温度和系统环境温度的测量就有基本设计准则。

用于测量PCB温度的正确电路布局设计

要实现对关键热源温度的真实有效测试,根据热传导的原理,温度传感器和热源之间的热阻最小,传感器与热源尽量靠近可以确保最实时、准确反应热源温度。此外,PCB热量的60%至65%通过引脚传递到芯片热传感器。接地引脚连接到基板,因此,接地引脚与温度传感器和热源之间的热阻应用尽量小。 

图2.测量PCB温度的正确布局

除此之外,温度传感器和热源要共用同一个接地平面以及确保温度传感器所有的接地引脚都与热源的接地平面相连也是重要的设计准则。通常我们的设计都会使用集成电路温度传感器来测量PCB或者器件的温度,最好使用图2中所示的PCB布局方法。

系统环境温度测量的正确PCB布局设计

很多时候我们并不需要测量PCB的温度的,他们只想测量环境温度。与上面的测量关键热源的温度不同,我们需要做到防止PCB上的热源影响温度传感器对环境温度的测量。。

3.测量环境温度的正确布局

为此,需要注意防止主要热源的散热对温度传感器产生影响,以精确地监测环境温度,主要的设计要点包括:使用散列接地平面,减少接地平面的面积来增加热阻,同时使用窄的接地连接来增加热阻;温度传感器尽可能地远离热源;为温度传感器提供单独的接地平面,尽量减少与主接地平面的连接;主热源下面使用实心接地平面,并露出绿色阻焊膜,这样可使主热源散热的热阻最低。

数字温度传感器传感器封装考虑要点

无论是PCB热源温度测量还是系统环境温度测量,当前人们普遍利用集成温度传感器,以实现精确、线性、响应速度快及使用方便的温度测量,使用图2和图3所示的PCB布局方法可以有效实现更准确的目标温度测量。

数字温度传感器更高的集成度,以及更精确和线性特性和快速响应速度,通常还提供各种集成I2C、SPI和传号空号接口,其中一些传感器集成了DAC、ADC、基准电压源和限值警报寄存器,适合更复杂的温度监测设计应用。ADI公司提供的ADT7301就是一款这样的数字温度监控系统,内置一个带隙温度传感器和一个13位ADC,能够以+0.03125°C的分辨率对温度进行监控和数字化。ADT7301配有一个灵活的串行接口,可以与大多数微控制器轻松接口。

值得注意的是,应用温度传感器进行温度测量,除了以上的PCB设计要点之外,还有其他一些需要注意的点,包括封装热阻、器件内部功率损耗以及热冲击响应等评估数据表明,封装类型对热时间常数值的影响很小,这说明大多数热量通过封装引脚流动。θ(结至空气热阻)和θ(结至外壳热阻)对表面贴装数字温度传感器的热响应的影响很小。一般来说,接地引脚与热源的地平面能否有效接触,远比封装类型重要。

此外,芯片与热源之间热阻的降低会降低热时间常数,提高芯片的热响应。热时间常数是指温度O变化到其最终值的63.2%所需要的时间。例如从25°C至125°C的热冲击通常情况下,ADT7301达到88.2°C需要2秒。以电流输出温度传感器为例(例如,AD590、 AD592和TMP17),TO-52、 TO-92、CQFP和SOIC封装由于较低的θc + θ热阻而具有较快的热响应(注意,这些器件没有接地引脚)。LFCSP封装在底部有一个金属底座与芯片接地直接相连。将这个金属底座与PCB的接地平面相连,可以使LFCSP获得比大多数封装更低的热阻。

图4. 常见的LFCSP封装和TO-92封装

责编:Amy Guan

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