防止過(guò)熱與EMI損壞的工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)考量

前言

工業(yè)應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)顯著的性能提升。但是，電子設(shè)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(shè)計(jì)必須承受這些狀況(有可能存在極強(qiáng)的電場(chǎng)與磁場(chǎng))的所有系統(tǒng)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(shè)計(jì)能夠適應(yīng)最差工況，那么這些系統(tǒng)無(wú)論安裝在何處都能夠正常運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)適用于工業(yè)應(yīng)用的可行性解決方案，本文對(duì)主要設(shè)計(jì)障礙進(jìn)行了探討，同時(shí)還介紹了適用于最嚴(yán)酷條件的設(shè)計(jì)方案。

可靠性至關(guān)重要

在我們這個(gè)普通電話和低成本消費(fèi)類電子產(chǎn)品無(wú)處不在的現(xiàn)代化世界，工程師為什么會(huì)為工廠中的周期性現(xiàn)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(fèi)用也甚至可能不涉及系統(tǒng)維修的費(fèi)用，相反，它很可能是有關(guān)安全或工廠生產(chǎn)力喪失的問(wèn)題，其可讓后者成本相形見(jiàn)絀。大規(guī)模制造廠的建造費(fèi)用可能高達(dá)數(shù)十億美元，而運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也會(huì)達(dá)到數(shù)百萬(wàn)。一些系統(tǒng)故障導(dǎo)致的單次停機(jī)事件就有可能耗費(fèi)數(shù)天才能重新啟動(dòng)，而這有可能每天造成數(shù)十萬(wàn)美元、乃至高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元的收入損失。另外，只要發(fā)生危機(jī)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(shè)施發(fā)生故障。

通常需要將電子控件安裝到正常運(yùn)行期間人員無(wú)法進(jìn)出的區(qū)域，例如熔爐附件或大件設(shè)備的后面。這就意味著在對(duì)該可能根治系統(tǒng)進(jìn)行操作是，應(yīng)關(guān)閉生產(chǎn)區(qū)，禁止有人進(jìn)入。安裝工業(yè)系統(tǒng)時(shí)的期望是能夠運(yùn)行很多年(有時(shí)是指設(shè)施的終身壽命)而不會(huì)發(fā)生故障或者無(wú)需維護(hù)。這才是工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)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(shè)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(dǎo)體的制作方式就能對(duì)問(wèn)題清晰明了。

集成電路(IC)制造采用擴(kuò)散、退火等熱處理工藝使原材料附著到結(jié)構(gòu)周圍和進(jìn)入其內(nèi)部。材料的原子在上述過(guò)程中遷移或者形成晶體結(jié)構(gòu)，這在相當(dāng)高的溫度(1200‘C或更高)下才會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。不過(guò)，除非IC保持絕對(duì)零度(0’k-273.15‘C)，否則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)繼續(xù)導(dǎo)致擴(kuò)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(yīng)升高。但是，當(dāng)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(nèi)部的各種其他系統(tǒng)原因也會(huì)造成這種情況，有可能導(dǎo)致熱失控狀況。隨著更高電流流過(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(wěn)壓器采用輸出級(jí)過(guò)熱關(guān)斷方法來(lái)防止熱失控狀況永久性地?fù)p壞IC。但是，這仍然是一種故障狀況，因此系統(tǒng)會(huì)停止繼續(xù)運(yùn)行。即使IC永遠(yuǎn)達(dá)不到過(guò)熱關(guān)斷狀態(tài)，但是高溫會(huì)降低長(zhǎng)期可靠性，進(jìn)而導(dǎo)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(nèi)部的IC裸片溫度保持在安全值范圍內(nèi)。

為了管理設(shè)備的工作溫度，制造商通常使用風(fēng)扇來(lái)增強(qiáng)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(zhǎng)期可靠性。另外，工業(yè)設(shè)備通常與環(huán)境隔離，這會(huì)妨礙外部空氣對(duì)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(jù)器件的散熱速率計(jì)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(zhǎng)度。例如，從結(jié)點(diǎn)(裸片)到IC外殼的熱阻稱為θ為結(jié)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 等小型線性穩(wěn)壓器的結(jié)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(nèi)核電壓)，負(fù)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(huì)升高到160.C 。其遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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(zhuǎn)換為1.8V，如LMZ10501 納米模塊開(kāi)關(guān)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(huì)占用更多 PCB 表面積。

與其電氣同類一樣，要計(jì)算溫升，可連續(xù)累加熱阻。例如，TRise = PDissipated × (θJC + θCA + θAE)，其中θAE 為結(jié)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(shè)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(zhǎng)期可靠性。

電磁設(shè)計(jì)的考慮事項(xiàng)

管理封閉在氣密箱體中的設(shè)備的熱量并非是唯一的問(wèn)題。現(xiàn)在我們來(lái)看一看設(shè)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(dǎo)致的破壞，這種觀點(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(jī)制。詳見(jiàn)下文。

減輕靜電破壞是設(shè)計(jì)人員必須解決的實(shí)際問(wèn)題。如果線纜(包括電源)進(jìn)入底板，就會(huì)在設(shè)備中出現(xiàn)高電壓，無(wú)論是否是正常工況均如此。電源通常設(shè)計(jì)有防止出現(xiàn)電壓峰值的內(nèi)在保護(hù)。輸入級(jí)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(guò)壓相關(guān)的損壞。但是，當(dāng)設(shè)備是通過(guò)電線網(wǎng)絡(luò)連接，這些連接就會(huì)提供一種借助電線的電容儲(chǔ)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(zhǎng)度達(dá)上千英尺的情況并不罕見(jiàn)。

自然界存在能夠毀壞設(shè)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(yīng)。當(dāng)帶有大量電荷的雷暴云砧緩慢飄過(guò)長(zhǎng)距離布線網(wǎng)絡(luò)并且在線纜中感應(yīng)出相反電荷時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象(圖 1)。一般情況下，感應(yīng)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(dāng)正上空云朵中的電荷消散后，電線中的感應(yīng)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(huì)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(shè)備(圖 2)。為了降低這種破壞，需在終端設(shè)備的線纜終端配備電弧管或火花隙以及靜電放電(ESD)保護(hù)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)線纜驅(qū)動(dòng)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(huì)直接損壞 IC。相反，其會(huì)導(dǎo)致 IC 轉(zhuǎn)移其工作點(diǎn);或者導(dǎo)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(chǎng)能在 IC 中的各種寄生二極管和有源組件中產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果在設(shè)計(jì)IC 時(shí)缺乏處理這些場(chǎng)的措施，那么內(nèi)部偏置點(diǎn)就有可能轉(zhuǎn)移，從而改變電路的工作點(diǎn)。

可以在眾多對(duì)講電話中觀察到一種常見(jiàn)的非工業(yè) EMI 問(wèn)題。放大器通常容易受到手機(jī)等 RF 源的影響。在使用對(duì)講電話通話時(shí)，若手機(jī)也在附近，則經(jīng)常會(huì)在通話時(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(diào)進(jìn)入放大器鏈，從而可以通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出可聽(tīng)到的聲音。

但是，在工業(yè)控制應(yīng)用中，這種現(xiàn)象要嚴(yán)重得多。其經(jīng)常構(gòu)成高精度測(cè)量中的偏移。其可能造成幾度的溫度感測(cè)誤差或者遠(yuǎn)程傳感器的其它測(cè)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(zāi)難性失敗，或者起碼會(huì)造成質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器等 IC 經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可用于實(shí)現(xiàn)存在高電平 RF 場(chǎng)的高精度性能。采用此類 IC 可以降低RF 干擾導(dǎo)致的高精度應(yīng)用誤差。

結(jié)論

對(duì)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，工業(yè)環(huán)境是極其嚴(yán)酷苛刻的。設(shè)計(jì)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(dān)，因?yàn)樗鼈兙哂刑幚順O端條件的能力。但是，歸根結(jié)底，能否最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)多年無(wú)故障運(yùn)行的系統(tǒng)，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)人員的決策。