防止過熱與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現(xiàn)顯著的性能提升。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與磁場)的所有系統(tǒng)時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(tǒng)無論安裝在何處都能夠正常運行。為了實現(xiàn)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行了探討，同時還介紹了適用于最嚴酷條件的設計方案。

可靠性至關重要

在我們這個普通電話和低成本消費類電子產(chǎn)品無處不在的現(xiàn)代化世界，工程師為什么會為工廠中的周期性現(xiàn)場故障而焦慮呢?實際上，這既不牽涉到相關電子產(chǎn)品的費用也甚至可能不涉及系統(tǒng)維修的費用，相反，它很可能是有關安全或工廠生產(chǎn)力喪失的問題，其可讓后者成本相形見絀。大規(guī)模制造廠的建造費用可能高達數(shù)十億美元，而運營費用也會達到數(shù)百萬。一些系統(tǒng)故障導致的單次停機事件就有可能耗費數(shù)天才能重新啟動，而這有可能每天造成數(shù)十萬美元、乃至高達數(shù)百萬美元的收入損失。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法進出的區(qū)域，例如熔爐附件或大件設備的后面。這就意味著在對該可能根治系統(tǒng)進行操作是，應關閉生產(chǎn)區(qū)，禁止有人進入。安裝工業(yè)系統(tǒng)時的期望是能夠運行很多年(有時是指設施的終身壽命)而不會發(fā)生故障或者無需維護。這才是工業(yè)系統(tǒng)設計人員面臨的真正挑戰(zhàn)。

熱管理挑戰(zhàn)

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

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到結構周圍和進入其內(nèi)部。材料的原子在上述過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)下才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。不過，除非IC保持絕對零度(0’k-273.15‘C)，否則熱運動會繼續(xù)導致擴散，但比制造過程速度慢得多。

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性關系。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)，則其電阻開始下降，從而造成潛在正反饋情況。此外，IC內(nèi)部的各種其他系統(tǒng)原因也會造成這種情況，有可能導致熱失控狀況。隨著更高電流流過，路徑的電阻會由于加熱而降低，最終熱損傷會損壞IC。

許多電源IC的穩(wěn)壓器采用輸出級過熱關斷方法來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(tǒng)會停止繼續(xù)運行。即使IC永遠達不到過熱關斷狀態(tài)，但是高溫會降低長期可靠性，進而導致過早損壞。使用IC時必須遵守產(chǎn)品說明書的建議工況，一遍封裝內(nèi)部的IC裸片溫度保持在安全值范圍內(nèi)。

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

首先從裸片這一熱源開始，必須使用IC產(chǎn)品說明書指定的熱阻來根據(jù)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度。例如，從結點(裸片)到IC外殼的熱阻稱為θ為結點到外殼熱阻(θJC)。

這些值極其重要。例如，如果采用無限制銅面作為散熱片，SOT-223 封裝中 LM340 等小型線性穩(wěn)壓器的結點到環(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(nèi)核電壓)，負載為 1A，則穩(wěn)壓器的功耗為 3.2W。這就意味著，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，裸片溫度仍然會升高到160.C 。其遠遠超過器件的正常工作溫度，有可能造成過熱關斷或隨時間的推移逐漸損壞。

在本例中，除非外殼直接連接(除銅外)的更低熱阻，否則沒有其它方法可以為裸片散熱。熱量無法通過 PCB 銅制材料以足夠快的速度排出，因此以上述功率電平無法防止內(nèi)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 納米模塊開關穩(wěn)壓器)。另一種選擇方案是采用熱阻抗低得多的封裝，但這不可避免地會占用更多 PCB 表面積。

與其電氣同類一樣，要計算溫升，可連續(xù)累加熱阻。例如，TRise = PDissipated × (θJC + θCA + θAE)，其中θAE 為結點到外殼熱阻、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，從而顯著提高長期可靠性。

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題。現(xiàn)在我們來看一看設備的電磁 (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載條件導致的破壞，這種觀點本來沒什么問題。但是，這并非是極端電磁場的唯一引起故障的機制。詳見下文。

減輕靜電破壞是設計人員必須解決的實際問題。如果線纜(包括電源)進入底板，就會在設備中出現(xiàn)高電壓，無論是否是正常工況均如此。電源通常設計有防止出現(xiàn)電壓峰值的內(nèi)在保護。輸入級可能還配備用于鉗制輸入的高速電壓監(jiān)控器，以防出現(xiàn)與過壓相關的損壞。但是，當設備是通過電線網(wǎng)絡連接，這些連接就會提供一種借助電線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長度達上千英尺的情況并不罕見。

自然界存在能夠毀壞設備的現(xiàn)象，如直接雷擊。但是，還存在另一種稱為交叉沖擊 (cross striking) 的更微妙效應。當帶有大量電荷的雷暴云砧緩慢飄過長距離布線網(wǎng)絡并且在線纜中感應出相反電荷時就會出現(xiàn)這種現(xiàn)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，就有可能引起兩朵云之間網(wǎng)絡上空的靜電放電(閃電)。

當正上空云朵中的電荷消散后，電線中的感應電荷也必須消散。由于電荷從電線中快速消失，因此在線纜兩端會出現(xiàn)極其高的電壓。如果不受控制，此類電壓有可能破壞位于電線兩端的所有設備(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，該路徑會經(jīng)過線纜驅動器或收發(fā)器，其很難幸免于難。

如前所訴，其它類型的 EMI 不會直接損壞 IC。相反，其會導致 IC 轉移其工作點;或者導致偏移指定限制。許多制造廠現(xiàn)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 時缺乏處理這些場的措施，那么內(nèi)部偏置點就有可能轉移，從而改變電路的工作點。

可以在眾多對講電話中觀察到一種常見的非工業(yè) EMI 問題。放大器通常容易受到手機等 RF 源的影響。在使用對講電話通話時，若手機也在附近，則經(jīng)常會在通話時聽到嗡嗡聲。蜂窩發(fā)射器產(chǎn)生的 RF 能量以寄生方式解調(diào)進入放大器鏈，從而可以通過揚聲器發(fā)出可聽到的聲音。

但是，在工業(yè)控制應用中，這種現(xiàn)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，或者起碼會造成質(zhì)量不達標。

為了解決這個問題，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)過精心設計，可用于實現(xiàn)存在高電平 RF 場的高精度性能。采用此類 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(tǒng)來說，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，能否最終實現(xiàn)連續(xù)多年無故障運行的系統(tǒng)，關鍵在于設計人員的決策。