申博官网娱乐

热分析与热设计技术(上)

日期:2012-06-19

                                                                                             文章来源:《电子设计技术EDN》2007年7月www.ednchina.com

热与冷都会对电路造成负面影响。在极高温下,芯片可能烧毁(图1)。更常见的情况是,如果你的设计达到未曾预料的申博,很多部件都可能超出规定极限。当出现这种情况时,电路就可能表现出难以预料的行为。另外一个情况也同样值得关注,即电路申博从热到冷,然后又从冷到热。这种状况会造成热冲击,也会毁坏元件。很多工程师并不关心自己的电路在低温下的性能,但这种忽视是一个错误。半导体官网的性能在低温下会发生显著变化。双极晶体管的基射结电压在低温下会大大升高(图 2 和参考文献 1)。Analog Devices 产品开发工程经理 Francisco Santos 说:“如果你要设计一个能够在负申博下工作于1.8V的放大器,就要考虑当从室温降到-40℃时,VBE(基射电压)会增加 130mV。这种情况将迫使设计者采用一组完全不同的放大器架构。”

很多放大器,如Analog Devices 的AD8045,在冷却时会加速(图3),而有些放大器(如AD8099)则在变冷时会降速。已退休的Linear Technology 信号处理产品前副总裁兼总经理Bill Gross称:“双极晶体管在低温下遇到的多数麻烦是低电压工作。”他认为,较高的基射电压和较小的电流增益都更难于满足规格要求。他说:“较低的输入阻抗和b(电流增益)的不匹配都会造成低温下的大问题。尤其是当它们为室温运行作了调整时。较高的gm(跨导)很容易通过改变工作电流而得到补偿,但这样的话转换速率就会变化。”

低温会造成振荡、不稳定、过冲,以及不良的滤波性能。百万分之几测量法可以改变你的元件在高温和低温下的值。如果你预计IC内核工作在 -55℃ ~ +85℃,则在25℃环境下只需60℃就到了最高申博上限,而从环境申博到-55℃是80℃温差。所以,要查明你的错误就应检查热与冷两种情况。Kettering大学(密歇根州 Flint)电气工程教授James McLaughlin认为,当你将硅片加热超过数百度时,它会“本质化”。换句话说,申博足够高时,掺杂物会通过晶格作迁移,不再存在 PN 结,而只是一块不纯的导电硅片。那么连接线是否会爆炸?还是硅片继续加热至熔融,直至挥发掉?

 

IC 在较高申博下运行时的损坏难以捉摸。美国国家半导体公司的顾问和前产品工程师 Martin DeLateur 指出,在高于 165℃的申博时,模塑材料开始碳化。此时,模塑材料会转变成为一种坚硬的灰色材料。释气,即某些材料捕捉、冷冻、吸收或吸附的气体的缓慢释放,会造成聚合添加物如阻燃剂的释放。在低电平下,这种释气可以影响一片 IC 的长期和短期运行,因为它给芯片增加了离子或表面效应。连接线可能传输过高的电流,也会造成模塑材料的碳化。过高的电流会使碳管硬化,它可能使连接线熔化,从而保持管内导电状态。最后,更高的热扩张会使钝化层、内核,或碳化模制化合物产生开裂,导致大规模故障。(军用规范将过高电流定义为超过 1.2×105A/cm2,因此军队强烈要求 IC 采用全密封的封装。)当内核上没有塑料材料时,就不会发生烧焦和退化现象。油井仪器公司经常以 200℃对使用在自己产品中的硅 IC 进行测试并确定其特性。这些产品寿命有限,但工作时间仍比它们采用塑料封装的情况要长得多。即使内核申博低于150℃,IC的寿命周期也会缩短。

1884 年,荷兰化学家 Jacobus H van't Hoff 率先提出了 Arrhenius 方程,而瑞典化学家 Svante Arrhenius 则在五年后对其作了物理验证和解释。这个方程是:k=Ae(-Ea/RT),其中k是速率系数,A 是一个常量,Ea 是活化能量,R 是普适气体常数,而 T 是以k为单位的申博。Arrhenius 最初将该方程用于化学反应,描述反应速度随申博而加快(参考文献2与参考文献 3)。今天的工程师们也用它描述电子官网在高温下工作时的较短寿命。方程表明,申博每升高 10℃,官网的寿命减半。因此,降低设计中硅片的申博很重要。如果你能将 IC 申博从 85℃降低到 65℃,这些元件的寿命就能增加四倍。

问题的根源不仅出自热或冷的静态状态,也可能是出在一个申博到另一个申博的转变过程中。在极端情况下,热冲击会将电路板和官网裂成碎片。申博梯度(会产生小电压误差)也可以由于焊接材料和管脚材料的热电偶效应而产生麻烦(参考文献4)。此外,申博梯度本身可以是动态变化的。已故的 Bob Widlar是一位开创型的电子工程师,曾就职于美国国家半导体、Fairchild、Maxim和Linear Technology,他曾收到过一个在1 kHz 时坏掉的原型硅片。Widlar 认为热波来自于输出晶体管的辐射。这些热波会通过硅内核均匀散播。问题是,这片 IC 有两个基准节点,它与输出晶体管的距离不相等。在 1 kHz 工作频率下,基准节点之一处于一个热谷中,而另一个则位于一个热峰。这种情况会导致偏置电流的不均衡,使官网无法正常工作。由于这些热梯度,有些电源设计者更喜欢用控制器,而不是内置功率 FET 的 IC。使用控制器时,FET 的热量不会流过相同内核、放大器和基准电路。

热分析

电路的热分析分三个步骤。首先估计IC中产生的热量。然后,估计电路板或散热片散掉的热量。最后,估计部件将要运行的环境申博(图4)。在估计元件产生的热量时,DC分析通常没什么价值。一只电压为1V、流过 1A 电流的电阻器,会产生1W的热量。但是,要估计交流或未确定的信号所产生的热量就比较麻烦。首先,从电源端到接地脚的静态电流总是在耗散一个直流功率。一个采用10V电源和5mA静态电流的官网会产生50mW热量。但是,在运行中,该静态电流可能有所变化。偏置电流和基极驱动电流通常在遇到交流信号时会增加。最大的挑战是计算出官网输出电流所产生的热量。这种估算可能并不简单。一只官网为一个负载提供的功率是可变化的,但是,如果输出晶体管是常开或常闭状态,则官网内部消耗的功率就相对较小。如大多数放大器所使用的传统图腾柱输出级,输出一个满摆幅方波时发热并不是最大。IC 内最糟的发热情况是官网输出一个方波,其振幅是电源范围的一半。如果官网工作在±12V电压,则±6Vp-p的方波就会在输出级产生最大的热量。正弦波输出的内部发热较低。如果信号很复杂或者比较乱,则很难估计IC内真实的最差情况下发热状况。如有含有大电容和大电感元件的电抗性负载,则功耗估计工作会更加复杂。因为电压和电流不是同相位,因此有关半振幅方波的简单假设也不可行。

如果你能确定IC通过信号的特性,就可以用Spice来估算功耗。此时必须保证使用恰当的Spice模型,它们对一些测试信号给出合理的结果,而功耗计算此时没有价值。图5 表示一个Spice图。芯片的功耗不同于到达负载的功率。图 6 是图 5 示意图的 Spice 曲线图。它以红线表示启动的振荡。电路是否会发生这种振荡只是个人的猜测,但它应该会使你在建立原型后查看这种行为。记住,在 Orcad Capture 上点击 W 键只能显示芯片的静态功耗。要获得工作时的功耗,要用示意图上的功率标记,然后用曲线程序的 rms-math 函数,给出官网的平均功耗。

电路板或散热器会通过对流、传导或辐射方式,将 IC 的热量散发出去。传导散热主要是通过金属引线框和电路板上铜箔。一旦电路板铜箔或分立散热片传导出热量,就为对流散热提供了足够将热量散播到空气中的表面积。辐射很难是一种散热的可行方法。卫星设计者采用辐射方式,因为没有其它方法可以去除系统中的热量。由于空间的辐射申博接近于绝对零度,因此存在足够大的温差,使大量的热能可以传输到空间中,使卫星上的电子设备不会过热烧毁。

对流散热也有一些困难。例如,气流对商用散热片的影响(图7)。注意,在高温下,申博会增加五倍。使用强制风冷的散热片有较薄、间距更近的鳍片,比如一款风扇式CPU冷却器。如果你的产品没有风扇,则 IC 产生的热量会传导和散播出来,然后传送到机内的空气中。接下来,随着整个机器申博的上升,热量通过对流传送给周围的空气,如果你把机器放在腿上,则部分热量也会传导过来。外壳材料的申博就变得很重要。热量从内向外的传送速度,塑料壳要慢于金属壳。

做喷气战斗机非机舱电子设备的工程师知道,一架喷气飞机要飞到高达 7 万英尺的高空。在这个高度,空气非常稀薄,对流冷却是无效的。这些系统有一个带乙二醇冷却通道的冷板,确保冷板申博不高于 80℃。每个部件都与一个金属散热器保持物理接触,散热器将元件热量传送至电路板的边沿。在电路板的边沿,一个传热的夹钳系统将这个散热器压紧在机壳的一侧。机壳的侧面将热量传给机壳所在的冷板。导热油脂可保证将最多的热量传送给冷板,并确保从 IC 到散热片的最大传导。

上海网站建设

优发国际手机千赢国际电子游戏平台优发国际手机