防止過(guò)熱與EMI損壞的工業(yè)級設計考量

前言

工業(yè)應用中的電子控制與傳感組件能在制造、加工與生產(chǎn)的眾多方面提供支持或實(shí)現顯著(zhù)的性能提升。但是，電子設備必須能夠承受生產(chǎn)鋼材、石油產(chǎn)品與化工品等惡劣環(huán)境或是具有極端高溫、多灰塵以及潮濕的礦山環(huán)境。在設計必須承受這些狀況(有可能存在極強的電場(chǎng)與磁場(chǎng))的所有系統時(shí)一定要慎重考慮這些因素。只要能夠考慮到這些條件并且設計能夠適應最差工況，那么這些系統無(wú)論安裝在何處都能夠正常運行。為了實(shí)現適用于工業(yè)應用的可行性解決方案，本文對主要設計障礙進(jìn)行了探討，同時(shí)還介紹了適用于最嚴酷條件的設計方案。

可靠性至關(guān)重要

在我們這個(gè)普通電話(huà)和低成本消費類(lèi)電子產(chǎn)品無(wú)處不在的現代化世界，工程師為什么會(huì )為工廠(chǎng)中的周期性現場(chǎng)故障而焦慮呢?實(shí)際上，這既不牽涉到相關(guān)電子產(chǎn)品的費用也甚至可能不涉及系統維修的費用，相反，它很可能是有關(guān)安全或工廠(chǎng)生產(chǎn)力喪失的問(wèn)題，其可讓后者成本相形見(jiàn)絀。大規模制造廠(chǎng)的建造費用可能高達數十億美元，而運營(yíng)費用也會(huì )達到數百萬(wàn)。一些系統故障導致的單次停機事件就有可能耗費數天才能重新啟動(dòng)，而這有可能每天造成數十萬(wàn)美元、乃至高達數百萬(wàn)美元的收入損失。另外，只要發(fā)生危機生命的故障，那么造成的傷害讓人難以想象。換言之，決不能讓這些設施發(fā)生故障。

通常需要將電子控件安裝到正常運行期間人員無(wú)法進(jìn)出的區域，例如熔爐附件或大件設備的后面。這就意味著(zhù)在對該可能根治系統進(jìn)行操作是，應關(guān)閉生產(chǎn)區，禁止有人進(jìn)入。安裝工業(yè)系統時(shí)的期望是能夠運行很多年(有時(shí)是指設施的終身壽命)而不會(huì )發(fā)生故障或者無(wú)需維護。這才是工業(yè)系統設計人員面臨的真正挑戰。

熱管理挑戰

熱量是電子產(chǎn)品晶體管與其它組件運行時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品。其必須得到良好管理，否則溫度升高會(huì )降低設備性能或造成器件損壞。要理解個(gè)中原因，只需簡(jiǎn)答了解一下半導體的制作方式就能對問(wèn)題清晰明了。

集成電路(IC)制造采用擴散、退火等熱處理工藝使原材料附著(zhù)到結構周?chē)瓦M(jìn)入其內部。材料的原子在上述過(guò)程中遷移或者形成晶體結構，這在相當高的溫度(1200‘C或更高)下才會(huì )出現這種現象。不過(guò)，除非IC保持絕對零度(0’k-273.15‘C)，否則熱運動(dòng)會(huì )繼續導致擴散，但比制造過(guò)程速度慢得多。

用于生產(chǎn)IC的硅的奇妙之處在于其與電阻及溫度具有非線(xiàn)性關(guān)系。在室溫條件下硅的電阻隨IC工作溫度的升高而相應升高。但是，當溫度升高到一定程度(高于建議限值)，則其電阻開(kāi)始下降，從而造成潛在正反饋情況。此外，IC內部的各種其他系統原因也會(huì )造成這種情況，有可能導致熱失控狀況。隨著(zhù)更高電流流過(guò)，路徑的電阻會(huì )由于加熱而降低，最終熱損傷會(huì )損壞IC。

許多電源IC的穩壓器采用輸出級過(guò)熱關(guān)斷方法來(lái)防止熱失控狀況永久性地損壞IC。但是，這仍然是一種故障狀況，因此系統會(huì )停止繼續運行。即使IC永遠達不到過(guò)熱關(guān)斷狀態(tài)，但是高溫會(huì )降低長(cháng)期可靠性，進(jìn)而導致過(guò)早損壞。使用IC時(shí)必須遵守產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的建議工況，一遍封裝內部的IC裸片溫度保持在安全值范圍內。

為了管理設備的工作溫度，制造商通常使用風(fēng)扇來(lái)增強流經(jīng)發(fā)熱組件的氣流。但是，風(fēng)扇人盡皆知的特點(diǎn)是不具備長(cháng)期可靠性。另外，工業(yè)設備通常與環(huán)境隔離，這會(huì )妨礙外部空氣對其進(jìn)行冷卻。熱量必須通過(guò)散熱路徑從IC引到溫度更低之處。

首先從裸片這一熱源開(kāi)始，必須使用IC產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)指定的熱阻來(lái)根據器件的散熱速率計算熱力上升。熱阻抗單位為’C/W，是IC功耗和熱量傳輸路徑長(cháng)度。例如，從結點(diǎn)(裸片)到IC外殼的熱阻稱(chēng)為θ為結點(diǎn)到外殼熱阻(θJC)。

這些值極其重要。例如，如果采用無(wú)限制銅面作為散熱片，SOT-223 封裝中 LM340 等小型線(xiàn)性穩壓器的結點(diǎn)到環(huán)境空氣熱阻 (θJA) 大約為 50.C/W。如果輸入電壓為 5V，輸出電壓為 1.8V(通用CMOS 內核電壓)，負載為 1A，則穩壓器的功耗為 3.2W。這就意味著(zhù)，即使是采用 PCB 上的一大片表面作為散熱片并且環(huán)境空氣溫度為20.C，裸片溫度仍然會(huì )升高到160.C 。其遠遠超過(guò)器件的正常工作溫度，有可能造成過(guò)熱關(guān)斷或隨時(shí)間的推移逐漸損壞。

在本例中，除非外殼直接連接(除銅外)的更低熱阻，否則沒(méi)有其它方法可以為裸片散熱。熱量無(wú)法通過(guò) PCB 銅制材料以足夠快的速度排出，因此以上述功率電平無(wú)法防止內部溫度升高。此處的解決方案是采用更高效的方法將5V 轉換為1.8V，如LMZ10501 納米模塊開(kāi)關(guān)穩壓器)。另一種選擇方案是采用熱阻抗低得多的封裝，但這不可避免地會(huì )占用更多 PCB 表面積。

與其電氣同類(lèi)一樣，要計算溫升，可連續累加熱阻。例如，TRise = PDissipated × (θJC + θCA + θAE)，其中θAE 為結點(diǎn)到外殼熱阻、θCA為外殼到環(huán)境熱阻，而θJC 則為環(huán)境到外界或到設備所處大環(huán)境的熱阻。選用超低熱阻的封裝有助于器件散熱。另外，在外殼增加鋁制散熱片或熱管有助于提供熱阻更低的至空氣路徑。這樣就能降低工作溫度，從而顯著(zhù)提高長(cháng)期可靠性。

電磁設計的考慮事項

管理封閉在氣密箱體中的設備的熱量并非是唯一的問(wèn)題?，F在我們來(lái)看一看設備的電磁 (EM) 環(huán)境以及電磁干擾 (EMI)。許多工程師都把 EMI 敏感性看成是由照明或其它電壓過(guò)載條件導致的破壞，這種觀(guān)點(diǎn)本來(lái)沒(méi)什么問(wèn)題。但是，這并非是極端電磁場(chǎng)的唯一引起故障的機制。詳見(jiàn)下文。

減輕靜電破壞是設計人員必須解決的實(shí)際問(wèn)題。如果線(xiàn)纜(包括電源)進(jìn)入底板，就會(huì )在設備中出現高電壓，無(wú)論是否是正常工況均如此。電源通常設計有防止出現電壓峰值的內在保護。輸入級可能還配備用于鉗制輸入的高速電壓監控器，以防出現與過(guò)壓相關(guān)的損壞。但是，當設備是通過(guò)電線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接，這些連接就會(huì )提供一種借助電線(xiàn)的電容儲存電荷的方法。在傳感器模塊(帶有源電子器件)和控制器之間配備電線(xiàn)長(cháng)度達上千英尺的情況并不罕見(jiàn)。

自然界存在能夠毀壞設備的現象，如直接雷擊。但是，還存在另一種稱(chēng)為交叉沖擊 (cross striking) 的更微妙效應。當帶有大量電荷的雷暴云砧緩慢飄過(guò)長(cháng)距離布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )并且在線(xiàn)纜中感應出相反電荷時(shí)就會(huì )出現這種現象(圖 1)。一般情況下，感應電荷被云層中的電荷固定在其位置中。但是，如果另一片帶有相反電荷的云朵在附近飄過(guò)，就有可能引起兩朵云之間網(wǎng)絡(luò )上空的靜電放電(閃電)。

當正上空云朵中的電荷消散后，電線(xiàn)中的感應電荷也必須消散。由于電荷從電線(xiàn)中快速消失，因此在線(xiàn)纜兩端會(huì )出現極其高的電壓。如果不受控制，此類(lèi)電壓有可能破壞位于電線(xiàn)兩端的所有設備(圖 2)。為了降低這種破壞，需在終端設備的線(xiàn)纜終端配備電弧管或火花隙以及靜電放電(ESD)保護二極管，從而提供將電荷引入大地的路徑。否則，該路徑會(huì )經(jīng)過(guò)線(xiàn)纜驅動(dòng)器或收發(fā)器，其很難幸免于難。

如前所訴，其它類(lèi)型的 EMI 不會(huì )直接損壞 IC。相反，其會(huì )導致 IC 轉移其工作點(diǎn);或者導致偏移指定限制。許多制造廠(chǎng)現在紛紛在其制造工藝中采用微波加熱器或其它射頻源。這些大型 RF 場(chǎng)能在 IC 中的各種寄生二極管和有源組件中產(chǎn)生感應電流。如果在設計IC 時(shí)缺乏處理這些場(chǎng)的措施，那么內部偏置點(diǎn)就有可能轉移，從而改變電路的工作點(diǎn)。

可以在眾多對講電話(huà)中觀(guān)察到一種常見(jiàn)的非工業(yè) EMI 問(wèn)題。放大器通常容易受到手機等 RF 源的影響。在使用對講電話(huà)通話(huà)時(shí)，若手機也在附近，則經(jīng)常會(huì )在通話(huà)時(shí)聽(tīng)到嗡嗡聲。蜂窩發(fā)射器產(chǎn)生的 RF 能量以寄生方式解調進(jìn)入放大器鏈，從而可以通過(guò)揚聲器發(fā)出可聽(tīng)到的聲音。

但是，在工業(yè)控制應用中，這種現象要嚴重得多。其經(jīng)常構成高精度測量中的偏移。其可能造成幾度的溫度感測誤差或者遠程傳感器的其它測量誤差。很多工藝都必須要求極其苛刻的容差。任何偏差都有可能造成生產(chǎn)工藝的災難性失敗，或者起碼會(huì )造成質(zhì)量不達標。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，設計人員需要采用抗RF (RF-hardened) 組件(切勿與抗輻射 (radiation-hardened)IC混淆)。LMP2021(單通道)與 LMP2022(雙通道)運算放大器等 IC 經(jīng)過(guò)精心設計，可用于實(shí)現存在高電平 RF 場(chǎng)的高精度性能。采用此類(lèi) IC 可以降低RF 干擾導致的高精度應用誤差。

結論

對電子系統來(lái)說(shuō)，工業(yè)環(huán)境是極其嚴酷苛刻的。設計人員必須兼顧考慮到高溫以及其它損壞與干擾源。這些重任目前大部分由 IC 自身承擔，因為它們具有處理極端條件的能力。但是，歸根結底，能否最終實(shí)現連續多年無(wú)故障運行的系統，關(guān)鍵在于設計人員的決策。