障礙與路徑分析法
電子設(shè)備的溫度越高,，其可靠性和性能都會(huì)下降，這就是過(guò)熱現(xiàn)象,。處理器,、FPGA、LED照明,、便攜式產(chǎn)品和電源部分容易產(chǎn)生過(guò)熱,。例如市面上可以見到一些公司宣布筆記本電腦的電源部分因過(guò)熱而召回，就是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)導(dǎo)致其性能下降,。
現(xiàn)在電子設(shè)備的功能越來(lái)越多,，但體積卻越來(lái)越小，所以散發(fā)出的熱量必須要最快地被排走,，否則就會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱,。因此從IC(集成電路)封裝到PCB(印制板)以及整個(gè)電子系統(tǒng)，都要考慮過(guò)熱并采取合理的散熱方法,。
市場(chǎng)上誕生了專業(yè)做設(shè)計(jì),、熱仿真和熱測(cè)試的EDA工具供應(yīng)商，例如Mentor Graphics,、Zuken等,。近日，Mentor Graphics的三維計(jì)算流體力學(xué)FloTHERM軟件(CFD),，創(chuàng)新性地采用了散熱障礙(Bn)和散熱捷徑(Sc)分析技術(shù),。Mentor 系統(tǒng)設(shè)計(jì)部市場(chǎng)開發(fā)總監(jiān)John Isaac稱，現(xiàn)在工程師可用一種非破壞的方式(即不需要把原來(lái)的樣品分割來(lái)看里面的熱特性),，就能明確IC,、PCB或者整個(gè)系統(tǒng)的熱流阻礙在哪里,，以及為什么會(huì)出現(xiàn)熱流故障，同時(shí)還能確定解決散熱設(shè)計(jì)問(wèn)題最快最有效的散熱捷徑,。
散熱障礙與散熱路徑分析
散熱主要有三個(gè)途徑：輻射,、傳導(dǎo)、自然對(duì)流,。
就像河流中形成一些堰塞湖(障礙),，或者蜿蜒的路一樣(路徑)，在電子設(shè)計(jì)中,，一些熱量會(huì)淤積在某處,，或過(guò)長(zhǎng)的散熱路徑影響散熱效率。
散熱障礙
為了說(shuō)明方便,，一般把溫度從低到高用藍(lán)色,、黃色、橙色到紅色代表,。我們可做如圖1的實(shí)驗(yàn),，左上圖的案例是一塊鐵板，把它降為0℃,，然后再把它接上100W電源,，這時(shí)會(huì)有熱量傳導(dǎo)過(guò)來(lái)，鐵板溫度改變,，受電端達(dá)到90℃,，但板子另一端還是0℃左右，因?yàn)檫@個(gè)板子導(dǎo)熱很快,。左下實(shí)驗(yàn)在冷卻板——鐵板的中間替換成塑料,，因?yàn)樗芰喜粚?dǎo)熱，在加熱的時(shí)候,，由于受到了阻擋,，鐵板通電處的溫度就升高到了130℃，可見材料的改變可能會(huì)改變你的散熱效果,。右上圖所有的條件都與左上圖一樣,，還是鐵，但中間變細(xì)了,，當(dāng)你通電以后,，這塊板變細(xì)部分形成了瓶頸。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,，材料或結(jié)構(gòu)的改變都會(huì)改變散熱性能,。
Mentor的經(jīng)驗(yàn)公式是(圖1右下圖)：
Bn/Bn(max)=│熱通量│x│溫度梯度│x│角度余弦函數(shù)│
散熱捷徑
當(dāng)你的熱流路徑要走很長(zhǎng)時(shí),，路過(guò)的區(qū)域越多,，散熱肯定更慢,。
圖2還是圖1形狀一樣的板子，但是用不同的材料,，加熱仍是100W,，但上側(cè)換成了銅(銅是導(dǎo)熱最好的材料之一)，下面是塑料,，用Mentor的FloTHERM 9工具分析后,，就會(huì)顯示某些地方高亮，就知道哪些地方散熱有問(wèn)題,，并考慮怎么能夠讓熱散得更塊——因?yàn)樗芰蠈?dǎo)熱性很差,，因此把塑料換成銅后(圖2右圖)，熱量散得更快,。
散熱案例
通過(guò)對(duì)PCB板側(cè)面觀察(如圖3),，發(fā)現(xiàn)一些芯片的溫度最高，可以找到讓它更快散熱的其他熱流路徑,，方法就是因?yàn)檫@個(gè)地方原來(lái)是空氣,，因?yàn)榭諝鈧鲗?dǎo)能力非常小，換成導(dǎo)熱襯墊(通常是金屬)(散熱捷徑法)或金屬擠壓品(解決散熱障礙法,，圖4),，均增加了導(dǎo)熱性，結(jié)果可看出沒(méi)有紅色了,。
實(shí)驗(yàn)方法固然好,，如果用軟件仿真更可節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。從熱分析工具中可以直觀看到散熱障礙在哪里,，用散熱捷徑軟件提示我們哪里能夠進(jìn)一步改進(jìn),。例如焊點(diǎn)過(guò)熱，就需要改變焊接的方法等,。
CamSemi公司是做電源管理方案的公司,。該公司工程副總裁Nigel Heather稱他們?cè)谘邪l(fā)新一代手機(jī)充電器IC時(shí)由于采用FloTHERM 9而節(jié)省了時(shí)間和成本。
滿足高速放電的電路保護(hù)方案——MHP在電路過(guò)流(過(guò)熱)時(shí),，就需要用到電路保護(hù)方案,。電路保護(hù)市場(chǎng)可以分為過(guò)流、過(guò)壓,、防靜電(ESD)三大類,，其中針對(duì)過(guò)流保護(hù)市場(chǎng)，目前的主要形式有一次性保險(xiǎn)絲,、可自恢復(fù)的PTC(正溫度系數(shù))器件等,，并且基于各自的不同特點(diǎn)而應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。不過(guò),，其中PPTC(聚合物正溫度系數(shù))器件由于在技術(shù)上的不斷突破,，已在低電阻需求領(lǐng)域如手機(jī)電池保護(hù)領(lǐng)域與一次性保險(xiǎn)絲形成了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì),。
但對(duì)于鋰離子電池等高速放電和小型化的需求，市場(chǎng)呼喚能確保終端產(chǎn)品電池安全的,、具有高性價(jià)比的高強(qiáng)度電路保護(hù)器件,。
滿足高速放電的電路保護(hù)方案——MHP
近日，泰科電子(Tyco Electronics)在PPTC的基礎(chǔ)上,，推出金屬混合聚合物正系數(shù)溫度電阻(Metal Hybrid PPTC, MHP)技術(shù),，可用于額定值在30VDC/30A以上的各種高速放電電池應(yīng)用，比如無(wú)繩電動(dòng)工具,、電動(dòng)自行車和備用電源等,。
MHP技術(shù)采用了一種新型混合電路保護(hù)方法，它將一個(gè)雙金屬保護(hù)器與一個(gè)聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)器件并聯(lián)在一起(圖5),。這種集成化的解決方案提供了一種可自我恢復(fù)的過(guò)流保護(hù)方法,，它利用PPTC器件的低阻抗來(lái)防止雙金屬保護(hù)器在更高電流時(shí)的電弧放電行為，同時(shí)通過(guò)加熱雙金屬來(lái)保持它的開路和閉鎖狀態(tài),。
MHP主要用于由于鋰離子(Li-ion)電池技術(shù)的發(fā)展,，現(xiàn)在更小、更輕和更高功率的鋰離子電池能夠取代以前在高速放電電池應(yīng)用中使用的鎳鎘或鉛酸電池,。這種趨勢(shì)導(dǎo)致了高速放電鋰離子電池應(yīng)用市場(chǎng)的快速擴(kuò)張,，這也相應(yīng)地形成了對(duì)能確保終端產(chǎn)品電池安全的、具有高性價(jià)比的高強(qiáng)度電路保護(hù)器件的需求,。
MHP器件產(chǎn)品系列的首款產(chǎn)品MHP30-36器件的最高額定值為36VDC/100A,，其中在100A電流(25℃)時(shí)的動(dòng)作時(shí)間不到5秒。該器件的保持電流是30A,，初始阻抗低于2mOhms,。
泰科電子的電路保護(hù)產(chǎn)品大中華區(qū)高級(jí)銷售經(jīng)理江如祥稱，與標(biāo)準(zhǔn)的斷路器相比(表1),，MHP30-36器件提供了良好的消除電弧放電特性,，而前者則必須通過(guò)限制開關(guān)循環(huán)的數(shù)量來(lái)解決，這是由于觸點(diǎn)間產(chǎn)生的電弧放電可能對(duì)其造成損壞,。該MHP30-36器件還能幫助減少實(shí)際應(yīng)用中放電場(chǎng)效應(yīng)管(FET)和相伴的散熱片的數(shù)量,，而這通常是通過(guò)使用IC+FET電池保護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
MHP器件技術(shù)能針對(duì)各種不同的應(yīng)用進(jìn)行配置,，并且現(xiàn)在正開發(fā)能夠支持更高電壓(高達(dá)400VDC)和保持電流(60A)的器件,。未來(lái)的設(shè)計(jì)考慮包括在電動(dòng)踏板車和輕型電動(dòng)車(LEV)中使用的鋰離子電池組的電池保護(hù)，以及各種備用電源應(yīng)用和非電池應(yīng)用,，如電動(dòng)馬達(dá)保護(hù),。