热设计与热分析

热分析与热设计技术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温度，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，即电路温度从热到冷，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。

半导体器件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温度下工作于1.8V的放大器，就要考虑当从室温降到-40℃时，V BE（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℃就到了最高温度上限，而从环境温度到-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，温度足够高时，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 在较高温度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℃的温度时，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。

即使内核温度低于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为单位的温度。

Arrhenius 最初将该方程用于化学反应，描述反应速度随温度而加快（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器件在高温下工作时的较短寿命。

方程表明，温度每升高 10℃，器件的寿命减半。

因此，降低设计中硅片的温度很重要。

如果你能将 IC 温度从 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，也可能是出在一个温度到另一个温度的转变过程中。

在极端情况下，热冲击会将电路板和器件裂成碎片。

温度梯度（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，温度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，使器件无法正常工作。

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温度（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静态电流的器件会产生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器件输出电流所产生的热量。

这种估算可能并不简单。

一只器件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，则器件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器件输出一个方波，其振幅是电源范围的一半。

如果器件工作在±12V电压，则±6V p-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，给出器件的平均功耗。

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。

由于空间的辐射温度接近于绝对零度，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，热阻会增加五倍。

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，随着整个机器温度的上升，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。

外壳材料的热阻就变得很重要。

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，确保冷板温度不高于 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。

多数电子工程师都很熟悉用热阻作为一种热分析技术。

热阻的表示单位是每瓦摄氏度。

只需简单地乘以第一步估计的瓦数，就可以获得部件将增加的温度（摄氏度）。

但这里需注意几个问题，要查看部件数据表上有关热阻规格的隐藏信息。

从内核到外壳的热阻ΦJC 不是一个有用的测量值。

半导体制造商的 IC 或封装设计者可能关心的是当热量从内核流至外壳时IC 的温升，但你需要更多的信息。

你在数据表上经常看到的下一个规格是从节点到外界的热阻ΦJA。

该值表示的是当部件未连散热片或未焊到 PCB（印制电路板）上时的温升。

德州仪器的 Darvin Edwards 指出，ΦJA 对多数试图预测结温的工程师来说是没有用处的。

他说：“有用的是从内核到电路板的热阻（ΦJB），以及从内核到封装表面的热阻（ΦJC）。

我们用两个 JEDEC （联合电子设备工程委员会）标准电路板测量ΦJA，让工程师们看到它并不是一个封装常量。

一个电路板是单面的，另一个是多层电路板。

如果你有ΦJB 和ΦJC 规格，就有更好的机会来估计 IC 的真实温升。

”他还指出，工程师们必须记住ΦJA 测量时电路板上没有其它芯片。

当 IC 周围有电源和其它散发热量的芯片时，以及当电路板处于一个空间有限的无风扇塑料外壳中时，实际温升会高于ΦJA 测量给出的值（图8）。

还要记住，多数 IC 的塑料顶面都几乎不传送热量。

环氧树脂塑料的热传导能力为 0.6W/mK ～1W/mK（米-开尔文），而铜的导热能力是 400W/mK。

因此，铜的导热能力比塑料高400倍 ~600倍，重要的是PCB设计要实现热传导的最大化。

估算电路板散热还有更多的复杂方法。

美国国家半导体的 Webench 在线设计工具采用 Flomerics 的 Flotherm 热分析软件，计算静止空气中的器件温度。

所有一般的仿真注意事项均适用。

如果你的电路有风扇和一些气流，其温升就较低。