防止过热与EMI损坏的工业级设计考量

 前言

工业应用中的电子控制与传感组件能在制造、加工与生产的众多方面提供支持或实现显著的性能提升。但是，电子设备必须能够承受生产钢材、石油产品与化工品等恶劣环境或是具有极端高温、多灰尘以及潮湿的矿山环境。在设计必须承受这些状况(有可能存在极强的电场与磁场)的所有系统时一定要慎重考虑这些因素。只要能够考虑到这些条件并且设计能够适应最差工况，那么这些系统无论安装在何处都能够正常运行。为了实现适用于工业应用的可行性解决方案，本文对主要设计障碍进行了探讨，同时还介绍了适用于最严酷条件的设计方案。

可靠性至关重要

在我们这个普通电话和低成本消费类电子产品无处不在的现代化世界，工程师为什么会为工厂中的周期性现场故障而焦虑呢?实际上，这既不牵涉到相关电子产品的费用也甚至可能不涉及系统维修的费用，相反，它很可能是有关安全或工厂生产力丧失的问题，其可让后者成本相形见绌。大规模制造厂的建造费用可能高达数十亿美元，而运营费用也会达到数百万。一些系统故障导致的单次停机事件就有可能耗费数天才能重新启动，而这有可能每天造成数十万美元、乃至高达数百万美元的收入损失。另外，只要发生危机生命的故障，那么造成的伤害让人难以想象。换言之，决不能让这些设施发生故障。

通常需要将电子控件安装到正常运行期间人员无法进出的区域，例如熔炉附件或大件设备的后面。这就意味着在对该可能根治系统进行操作是，应关闭生产区，禁止有人进入。安装工业系统时的期望是能够运行很多年(有时是指设施的终身寿命)而不会发生故障或者无需维护。这才是工业系统设计人员面临的真正挑战。

热管理挑战

热量是电子产品晶体管与其它组件运行时产生的副产品。其必须得到良好管理，否则温度升高会降低设备性能或造成器件损坏。要理解个中原因，只需简答了解一下半导体的制作方式就能对问题清晰明了。

集成电路(IC)制造采用扩散、退火等热处理工艺使原材料附着到结构周围和进入其内部。材料的原子在上述过程中迁移或者形成晶体结构，这在相当高的温度(1200‘C或更高)下才会出现这种现象。不过，除非IC保持绝对零度(0’k-273.15‘C)，否则热运动会继续导致扩散，但比制造过程速度慢得多。

用于生产IC的硅的奇妙之处在于其与电阻及温度具有非线性关系。在室温条件下硅的电阻随IC工作温度的升高而相应升高。但是，当温度升高到一定程度(高于建议限值)，则其电阻开始下降，从而造成潜在正反馈情况。此外，IC内部的各种其他系统原因也会造成这种情况，有可能导致热失控状况。随着更高电流流过，路径的电阻会由于加热而降低，最终热损伤会损坏IC。

许多电源IC的稳压器采用输出级过热关断方法来防止热失控状况永久性地损坏IC。但是，这仍然是一种故障状况，因此系统会停止继续运行。即使IC永远达不到过热关断状态，但是高温会降低长期可靠性，进而导致过早损坏。使用IC时必须遵守产品说明书的建议工况，一遍封装内部的IC裸片温度保持在安全值范围内。

为了管理设备的工作温度，制造商通常使用风扇来增强流经发热组件的气流。但是，风扇人尽皆知的特点是不具备长期可靠性。另外，工业设备通常与环境隔离，这会妨碍外部空气对其进行冷却。热量必须通过散热路径从IC引到温度更低之处。

首先从裸片这一热源开始，必须使用IC产品说明书指定的热阻来根据器件的散热速率计算热力上升。热阻抗单位为’C/W，是IC功耗和热量传输路径长度。例如，从结点(裸片)到IC外壳的热阻称为θ为结点到外壳热阻(θJC)。

这些值极其重要。例如，如果采用无限制铜面作为散热片，SOT-223 封装中 LM340 等小型线性稳压器的结点到环境空气热阻 (θJA) 大约为 50.C/W。如果输入电压为 5V，输出电压为 1.8V(通用CMOS 内核电压)，负载为 1A，则稳压器的功耗为 3.2W。这就意味着，即使是采用 PCB 上的一大片表面作为散热片并且环境空气温度为20.C，裸片温度仍然会升高到160.C 。其远远超过器件的正常工作温度，有可能造成过热关断或随时间的推移逐渐损坏。

在本例中，除非外壳直接连接(除铜外)的更低热阻，否则没有其它方法可以为裸片散热。热量无法通过 PCB 铜制材料以足够快的速度排出，因此以上述功率电平无法防止内部温度升高。此处的解决方案是采用更高效的方法将5V 转换为1.8V，如LMZ10501 纳米模块开关稳压器)。另一种选择方案是采用热阻抗低得多的封装，但这不可避免地会占用更多 PCB 表面积。

与其电气同类一样，要计算温升，可连续累加热阻。例如，TRise = PDissipated × (θJC + θCA + θAE)，其中θAE 为结点到外壳热阻、θCA为外壳到环境热阻，而θJC 则为环境到外界或到设备所处大环境的热阻。选用超低热阻的封装有助于器件散热。另外，在外壳增加铝制散热片或热管有助于提供热阻更低的至空气路径。这样就能降低工作温度，从而显著提高长期可靠性。

电磁设计的考虑事项

管理封闭在气密箱体中的设备的热量并非是唯一的问题。现在我们来看一看设备的电磁 (EM) 环境以及电磁干扰 (EMI)。许多工程师都把 EMI 敏感性看成是由照明或其它电压过载条件导致的破坏，这种观点本来没什么问题。但是，这并非是极端电磁场的唯一引起故障的机制。详见下文。

减轻静电破坏是设计人员必须解决的实际问题。如果线缆(包括电源)进入底板，就会在设备中出现高电压，无论是否是正常工况均如此。电源通常设计有防止出现电压峰值的内在保护。输入级可能还配备用于钳制输入的高速电压监控器，以防出现与过压相关的损坏。但是，当设备是通过电线网络连接，这些连接就会提供一种借助电线的电容储存电荷的方法。在传感器模块(带有源电子器件)和控制器之间配备电线长度达上千英尺的情况并不罕见。

自然界存在能够毁坏设备的现象，如直接雷击。但是，还存在另一种称为交叉冲击 (cross striking) 的更微妙效应。当带有大量电荷的雷暴云砧缓慢飘过长距离布线网络并且在线缆中感应出相反电荷时就会出现这种现象(图 1)。一般情况下，感应电荷被云层中的电荷固定在其位置中。但是，如果另一片带有相反电荷的云朵在附近飘过，就有可能引起两朵云之间网络上空的静电放电(闪电)。

当正上空云朵中的电荷消散后，电线中的感应电荷也必须消散。由于电荷从电线中快速消失，因此在线缆两端会出现极其高的电压。如果不受控制，此类电压有可能破坏位于电线两端的所有设备(图 2)。为了降低这种破坏，需在终端设备的线缆终端配备电弧管或火花隙以及静电放电(ESD)保护二极管，从而提供将电荷引入大地的路径。否则，该路径会经过线缆驱动器或收发器，其很难幸免于难。

如前所诉，其它类型的 EMI 不会直接损坏 IC。相反，其会导致 IC 转移其工作点;或者导致偏移指定限制。许多制造厂现在纷纷在其制造工艺中采用微波加热器或其它射频源。这些大型 RF 场能在 IC 中的各种寄生二极管和有源组件中产生感应电流。如果在设计IC 时缺乏处理这些场的措施，那么内部偏置点就有可能转移，从而改变电路的工作点。

可以在众多对讲电话中观察到一种常见的非工业 EMI 问题。放大器通常容易受到手机等 RF 源的影响。在使用对讲电话通话时，若手机也在附近，则经常会在通话时听到嗡嗡声。蜂窝发射器产生的 RF 能量以寄生方式解调进入放大器链，从而可以通过扬声器发出可听到的声音。

但是，在工业控制应用中，这种现象要严重得多。其经常构成高精度测量中的偏移。其可能造成几度的温度感测误差或者远程传感器的其它测量误差。很多工艺都必须要求极其苛刻的容差。任何偏差都有可能造成生产工艺的灾难性失败，或者起码会造成质量不达标。

为了解决这个问题，设计人员需要采用抗RF (RF-hardened) 组件(切勿与抗辐射 (radiation-hardened)IC混淆)。LMP2021(单通道)与 LMP2022(双通道)运算放大器等 IC 经过精心设计，可用于实现存在高电平 RF 场的高精度性能。采用此类 IC 可以降低RF 干扰导致的高精度应用误差。

结论

对电子系统来说，工业环境是极其严酷苛刻的。设计人员必须兼顾考虑到高温以及其它损坏与干扰源。这些重任目前大部分由 IC 自身承担，因为它们具有处理极端条件的能力。但是，归根结底，能否最终实现连续多年无故障运行的系统，关键在于设计人员的决策。