中心議題：

• 熱分析和熱設計

解決方案：

• 估計IC中產生的熱量
• 估計電路板或散熱片散掉的熱量
• 估計部件將要運行的環境溫度

熱與冷都會對電路造成負麵影響。在極高溫下，芯片可能燒毀（圖1）。更(geng)常(chang)見(jian)的(de)情(qing)況(kuang)是(shi)，如(ru)果(guo)你(ni)的(de)設(she)計(ji)達(da)到(dao)未(wei)曾(zeng)預(yu)料(liao)的(de)溫(wen)度(du)
，很(hen)多(duo)部(bu)件(jian)都(dou)可(ke)能(neng)超(chao)出(chu)規(gui)定(ding)極(ji)限(xian)。當(dang)出(chu)現(xian)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)時(shi)
，電(dian)路(lu)就(jiu)可(ke)能(neng)表(biao)現(xian)出(chu)難(nan)以(yi)預(yu)料(liao)的(de)行(xing)為(wei)。另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)情(qing)況(kuang)也(ye)同(tong)樣(yang)值(zhi)得(de)關(guan)注(zhu)
，即(ji)電(dian)路(lu)溫(wen)度(du)從(cong)熱(re)到(dao)冷(leng)，然(ran)後(hou)又(you)從(cong)冷(leng)到(dao)熱(re)。這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)況(kuang)會(hui)造(zao)成(cheng)熱(re)衝(chong)擊(ji)，也(ye)會(hui)毀(hui)壞(huai)元(yuan)件(jian)。很(hen)多(duo)工(gong)程(cheng)師(shi)並(bing)不(bu)關(guan)心(xin)自(zi)己(ji)的(de)電(dian)路(lu)在(zai)低(di)溫(wen)下(xia)的(de)性(xing)能(neng)，但(dan)這(zhe)種(zhong)忽(hu)視(shi)是(shi)一(yi)個(ge)錯(cuo)誤(wu)。半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)的(de)性(xing)能(neng)在(zai)低(di)溫(wen)下(xia)會(hui)發(fa)生(sheng)顯(xian)著(zhu)變(bian)化(hua)。雙(shuang)極(ji)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)基(ji)射(she)結(jie)電(dian)壓(ya)在(zai)低(di)溫(wen)下(xia)會(hui)大(da)大(da)升(sheng)高(gao)（圖2和參考文獻1）。AnalogDevices產品開發工程經理FranciscoSantos說：“如果你要設計一個能夠在負溫度下工作於1.8V的放大器，就要考慮當從室溫降到-40℃時，VBE（基射電壓）會增加130mV。這種情況將迫使設計者采用一組完全不同的放大器架構。”　
　
很多放大器，如AnalogDevices的AD8045，在冷卻時會加速（圖3），而有些放大器（如AD8099）則在變冷時會降速。已退休的LinearTechnology信號處理產品前副總裁兼總經理BillGross稱：“雙極晶體管在低溫下遇到的多數麻煩是低電壓工作。”他認為，較高的基射電壓和較小的電流增益都更難於滿足規格要求。他說：“較低的輸入阻抗和b（電流增益）的不匹配都會造成低溫下的大問題。尤其是當它們為室溫運行作了調整時。較高的gm（跨導）很容易通過改變工作電流而得到補償，但這樣的話轉換速率就會變化。”　　

低溫會造成振蕩、不穩定、過衝，以及不良的濾波性能。百萬分之幾測量法可以改變你的元件在高溫和低溫下的值。如果你預計IC內核工作在-55℃~+85℃，則在25℃環境下隻需60℃就到了最高溫度上限，而從環境溫度到-55℃是80℃溫差。所以，要查明你的錯誤就應檢查熱與冷兩種情況。Kettering大學（密歇根州Flint）電氣工程教授JamesMcLaughlin認為
，當你將矽片加熱超過數百度時，它會“本質化”。換句話說
，溫度足夠高時，摻雜物會通過晶格作遷移，不再存在PN結，而隻是一塊不純的導電矽片。那麼連接線是否會爆炸？還是矽片繼續加熱至熔融
，直至揮發掉？

IC在較高溫度下運行時的損壞難以捉摸。美國國家半導體公司的顧問和前產品工程師MartinDeLateur指出，在高於165℃的溫度時，模塑材料開始碳化。此時，模塑材料會轉變成為一種堅硬的灰色材料。釋氣，即某些材料捕捉
、冷凍、吸收或吸附的氣體的緩慢釋放，會造成聚合添加物如阻燃劑的釋放。在低電平下

，這種釋氣可以影響一片ICdechangqiheduanqiyunxing，yinweitageixinpianzengjialelizihuobiaomianxiaoying。lianjiexiankenengchuanshuguogaodedianliu，yehuizaochengmosucailiaodetanhua。guogaodedianliuhuishitanguanyinghua
，takenengshilianjiexianronghua，congerbaochiguanneidaodianzhuangtai。zuihou
，genggaoderekuozhanghuishidunhuaceng、內核，或碳化模製化合物產生開裂，導致大規模故障。（軍用規範將過高電流定義為超過1.2×105A/cm2
，因此軍隊強烈要求IC采用全密封的封裝。）當內核上沒有塑料材料時
，就不會發生燒焦和退化現象。油井儀器公司經常以200℃對使用在自己產品中的矽IC進行測試並確定其特性。這些產品壽命有限

，但工作時間仍比它們采用塑料封裝的情況要長得多。即使內核溫度低於150℃，IC的壽命周期也會縮短。



1884年，荷蘭化學家JacobusHvan tHoff率先提出了Arrhenius方程
，而瑞典化學家SvanteArrhenius則在五年後對其作了物理驗證和解釋。這個方程是：k=Ae(-Ea/RT)，其中k是速率係數，A是一個常量，Ea是活化能量，R是普適氣體常數，而T是以。k為單位的溫度。Arrhenius最初將該方程用於化學反應，描述反應速度隨溫度而加快（參考文獻2與參考文獻3）。今天的工程師們也用它描述電子器件在高溫下工作時的較短壽命。方程表明

，溫度每升高10℃，器件的壽命減半。因此
，降低設計中矽片的溫度很重要。如果你能將IC溫度從85℃降低到65℃，這些元件的壽命就能增加四倍。

問wen題ti的de根gen源yuan不bu僅jin出chu自zi熱re或huo冷leng的de靜jing態tai狀zhuang態tai


，也ye可ke能neng是shi出chu在zai一yi個ge溫wen度du到dao另ling一yi個ge溫wen度du的de轉zhuan變bian過guo程cheng中zhong。在zai極ji端duan情qing況kuang下xia，熱re衝chong擊ji會hui將jiang電dian路lu板ban和he器qi件jian裂lie成cheng碎sui片pian。溫wen度du梯ti度du（會產生小電壓誤差）也可以由於焊接材料和管腳材料的熱電偶效應而產生麻煩（參考文獻4）。此外，溫度梯度本身可以是動態變化的。已故的BobWidlar是一位開創型的電子工程師，曾就職於美國國家半導體
、Fairchild、Maxim和LinearTechnology，他曾收到過一個在1kHz時壞掉的原型矽片。Widlar認為熱波來自於輸出晶體管的輻射。這些熱波會通過矽內核均勻散播。問題是，這片IC有兩個基準節點，它與輸出晶體管的距離不相等。在1kHzgongzuopinlvxia
，jizhunjiedianzhiyichuyuyigereguzhong，erlingyigezeweiyuyigerefeng。zhezhongqingkuanghuidaozhipianzhidianliudebujunheng，shiqijianwufazhengchanggongzuo。youyuzhexieretidu，youxiedianyuanshejizhegengxihuanyongkongzhiqi
，erbushineizhigonglvFET的IC。使用控製器時，FET的熱量不會流過相同內核、放大器和基準電路。
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熱分析

電路的熱分析分三個步驟。首先估計IC中產生的熱量。然後，估計電路板或散熱片散掉的熱量。最後
，估計部件將要運行的環境溫度（圖4）。在估計元件產生的熱量時
，DC分析通常沒什麼價值。一隻電壓為1V
、流過1A電流的電阻器，會產生1W的(de)熱(re)量(liang)。但(dan)是(shi)，要(yao)估(gu)計(ji)交(jiao)流(liu)或(huo)未(wei)確(que)定(ding)的(de)信(xin)號(hao)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)就(jiu)比(bi)較(jiao)麻(ma)煩(fan)。首(shou)先(xian)，從(cong)電(dian)源(yuan)端(duan)到(dao)接(jie)地(di)腳(jiao)的(de)靜(jing)態(tai)電(dian)流(liu)總(zong)是(shi)在(zai)耗(hao)散(san)一(yi)個(ge)直(zhi)流(liu)功(gong)率(lv)。一(yi)個(ge)采(cai)用(yong)10V電源和5mA靜態

電流的器件會產生50mW熱(re)量(liang)。但(dan)是(shi)，在(zai)運(yun)行(xing)中(zhong)，該(gai)靜(jing)態(tai)電(dian)流(liu)可(ke)能(neng)有(you)所(suo)變(bian)化(hua)。偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)和(he)基(ji)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)通(tong)常(chang)在(zai)遇(yu)到(dao)交(jiao)流(liu)信(xin)號(hao)時(shi)會(hui)增(zeng)加(jia)。最(zui)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)計(ji)算(suan)出(chu)器(qi)件(jian)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)。這(zhe)種(zhong)估(gu)算(suan)可(ke)能(neng)並(bing)不(bu)簡(jian)單(dan)。一(yi)隻(zhi)器(qi)件(jian)為(wei)一(yi)個(ge)負(fu)載(zai)提(ti)供(gong)的(de)功(gong)率(lv)是(shi)可(ke)變(bian)化(hua)的(de)，但(dan)是(shi)，如(ru)果(guo)輸(shu)出(chu)晶(jing)體(ti)管(guan)是(shi)常(chang)開(kai)或(huo)常(chang)閉(bi)狀(zhuang)態(tai)，則(ze)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)消(xiao)耗(hao)的(de)功(gong)率(lv)就(jiu)相(xiang)對(dui)較(jiao)小(xiao)。如(ru)大(da)多(duo)數(shu)放(fang)大(da)器(qi)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)傳(chuan)統(tong)圖(tu)騰(teng)柱(zhu)輸(shu)出(chu)級(ji)，輸(shu)出(chu)一(yi)個(ge)滿(man)擺(bai)幅(fu)方(fang)波(bo)時(shi)發(fa)熱(re)並(bing)不(bu)是(shi)最(zui)大(da)。IC內最糟的發熱情況是器件輸出一個方波，其振幅是電源範圍的一半。如果器件工作在±12V電壓，則±6Vp-p的方波就會在輸出級產生最大的熱量。

正弦波輸出的內部發熱較低。如果信號很複雜或者比較亂
，則很難估計IC內(nei)真(zhen)實(shi)的(de)最(zui)差(cha)情(qing)況(kuang)下(xia)發(fa)熱(re)狀(zhuang)況(kuang)。如(ru)有(you)含(han)有(you)大(da)電(dian)容(rong)和(he)大(da)電(dian)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)抗(kang)性(xing)負(fu)載(zai)，則(ze)功(gong)耗(hao)估(gu)計(ji)工(gong)作(zuo)會(hui)更(geng)加(jia)複(fu)雜(za)。因(yin)為(wei)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)不(bu)是(shi)同(tong)相(xiang)位(wei)，因(yin)此(ci)有(you)關(guan)半(ban)振(zhen)幅(fu)方(fang)波(bo)的(de)簡(jian)單(dan)假(jia)設(she)也(ye)不(bu)可(ke)行(xing)。　　

如果你能確定IC通過信號的特性
，就可以用Spice來估算功耗。此時必須保證使用恰當的Spice模型

，它們對一些測試信號給出合理的結果，而功耗計算此時沒有價值。圖5表示一個Spice圖。芯片的功耗不同於到達負載的功率。圖6是圖5示意圖的Spice曲線圖。它以紅線表示啟動的振蕩。電路是否會發生這種振蕩隻是個人的猜測
，但它應該會使你在建立原型後查看這種行為。記住，在OrcadCapture上點擊W鍵隻能顯示芯片的靜態功耗。要獲得工作時的功耗
，要用示意圖上的功率標記，然後用曲線程序的rms-math函數
，給出器件的平均功耗。

電路板或散熱器會通過對流、傳導或輻射方式，將IC的de熱re量liang散san發fa出chu去qu。傳chuan導dao散san熱re主zhu要yao是shi通tong過guo金jin屬shu引yin線xian框kuang和he電dian路lu板ban上shang銅tong箔bo。一yi旦dan電dian路lu板ban銅tong箔bo或huo分fen立li散san熱re片pian傳chuan導dao出chu熱re量liang
，就jiu為wei對dui流liu散san熱re提ti供gong了le足zu夠gou將jiang熱re量liang散san播bo到dao空kong氣qi中zhong的de表biao麵mian積ji。輻fu射she很hen難nan是shi一yi種zhong散san熱re的de可ke行xing方fang法fa。衛wei星xing設she計ji者zhe采cai用yong輻fu射she方fang式shi，因yin為wei沒mei有you其qi它ta方fang法fa可ke以yi去qu除chu係xi統tong中zhong的de熱re量liang。由you於yu空kong間jian的de輻fu射she溫wen度du接jie近jin於yu絕jue對dui零ling度du，因yin此ci存cun在zai足zu夠gou大da的de溫wen差cha

，使shi大da量liang的de熱re能neng可ke以yi傳chuan輸shu到dao空kong間jian中zhong，使shi衛wei星xing上shang的de電dian子zi設she備bei不bu會hui過guo熱re燒shao毀hui。　　

對流散熱也有一些困難。例如，氣流對商用散熱片的影響（圖7）。注意，在高溫下，熱阻會增加五倍。使用強製風冷的散熱片有較薄
、間距更近的鰭片，比如一款風扇式CPU冷卻器。如果你的產品沒有風扇，則IC產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)會(hui)傳(chuan)導(dao)和(he)散(san)播(bo)出(chu)來(lai)
，然(ran)後(hou)傳(chuan)送(song)到(dao)機(ji)內(nei)的(de)空(kong)氣(qi)中(zhong)。接(jie)下(xia)來(lai)，隨(sui)著(zhe)整(zheng)個(ge)機(ji)器(qi)溫(wen)度(du)的(de)上(shang)升(sheng)
，熱(re)量(liang)通(tong)過(guo)對(dui)流(liu)傳(chuan)送(song)給(gei)周(zhou)圍(wei)的(de)空(kong)氣(qi)
，如(ru)果(guo)你(ni)把(ba)機(ji)器(qi)放(fang)在(zai)腿(tui)上(shang)
，則(ze)部(bu)分(fen)熱(re)量(liang)也(ye)會(hui)傳(chuan)導(dao)過(guo)來(lai)。外(wai)殼(ke)材(cai)料(liao)的(de)熱(re)阻(zu)就(jiu)變(bian)得(de)很(hen)重(zhong)要(yao)。熱(re)量(liang)從(cong)內(nei)向(xiang)外(wai)的(de)傳(chuan)送(song)速(su)度(du)
，塑(su)料(liao)殼(ke)要(yao)慢(man)於(yu)金(jin)屬(shu)殼(ke)。



做噴氣戰鬥機非機艙電子設備的工程師知道，一架噴氣飛機要飛到高達7萬英尺的高空。在這個高度，空氣非常稀薄，對流冷卻是無效的。這些係統有一個帶乙二醇冷卻通道的冷板
，確保冷板溫度不高於80℃。每mei個ge部bu件jian都dou與yu一yi個ge金jin屬shu散san熱re器qi保bao持chi物wu理li接jie觸chu
，散san熱re器qi將jiang元yuan件jian熱re量liang傳chuan送song至zhi電dian路lu板ban的de邊bian沿yan。在zai電dian路lu板ban的de邊bian沿yan，一yi個ge傳chuan熱re的de夾jia鉗qian係xi統tong將jiang這zhe個ge散san熱re器qi壓ya緊jin在zai機ji殼ke的de一yi側ce。機ji殼ke的de側ce麵mian將jiang熱re量liang傳chuan給gei機ji殼ke所suo在zai的de冷leng板ban。導dao熱re油you脂zhi可ke保bao證zheng將jiang最zui多duo的de熱re量liang傳chuan送song給gei冷leng板ban，並bing確que保bao從congIC到散熱片的最大傳導。

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