系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)方法解析

對(duì)于許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有必要監(jiān)測(cè)高功率組件(處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、場(chǎng)效應(yīng)晶體管)以確保系統(tǒng)和用戶安全。溫度讀數(shù)的精確性非常重要，因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)人員能夠在提高性能的同時(shí)保持在安全限制內(nèi)，或者通過避免在其他地方過度設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)成本。德州儀器 (TI) 的緊湊型高精度溫度傳感器產(chǎn)品系列可以更靠近這些關(guān)鍵組件放置，實(shí)現(xiàn)最精確的測(cè)量。

如何監(jiān)測(cè)電路板溫度

電路中的溫度問題會(huì)影響系統(tǒng)性能并損壞昂貴組件。通過測(cè)量印刷電路板 (PCB) 中存在熱點(diǎn)或高耗電集成電路(IC) 的區(qū)域的溫度，有助于識(shí)別熱問題，進(jìn)而及時(shí)采取預(yù)防或糾正措施。

您可能希望監(jiān)測(cè)高耗電 IC(例如中央處理單元、專用 IC、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列或數(shù)字信號(hào)處理器)的管芯溫度以動(dòng)態(tài)調(diào)整其性能，或者可能希望監(jiān)測(cè)功率級(jí)周圍的熱區(qū)，以便控制系統(tǒng)中的風(fēng)扇速度或啟動(dòng)安全系統(tǒng)關(guān)閉程序。最終目標(biāo)是優(yōu)化性能并保護(hù)昂貴的設(shè)備。

從 PCB 到溫度傳感器的熱傳遞

本地溫度傳感器測(cè)量它們自己的管芯溫度以確定特定區(qū)域的溫度。因此，了解管芯與傳感器周圍物體或環(huán)境之間的主要溫度傳導(dǎo)路徑至關(guān)重要。主要通過兩種路徑導(dǎo)熱：通過連接到封裝的管芯連接焊盤 (DAP)或通過封裝引線引腳。DAP(如果存在)提供 PCB 和管芯之間最主要的導(dǎo)熱路徑。

帶有 DAP 的封裝

如果封裝類型不包含 DAP，則引線和引腳提供最主要的導(dǎo)熱路徑。

不帶 DAP 的封裝

模塑化合物提供額外的導(dǎo)熱路徑，但由于其低導(dǎo)熱性，通過模塑化合物本身進(jìn)行的任何熱傳遞均比通過引線或DAP進(jìn)行的熱傳遞更慢。

熱響應(yīng)

封裝類型決定了溫度傳感器對(duì)溫度變化的響應(yīng)速度。下圖顯示了用于溫度測(cè)量的不同類別的選定表面貼裝技術(shù)封裝類型的相對(duì)熱響應(yīng)速率。

不帶模塑化合物的封裝(芯片級(jí)封裝、管芯尺寸球柵陣列封裝)和帶有 DAP 的封裝(四方扁平無引線 [QFN] 封裝、雙邊扁平無引線 [DFN] 封裝)是專為需要從 PCB 快速進(jìn)行熱傳遞的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，而不帶 DAP 的封裝是專為需要較慢響應(yīng)速率的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。快速的熱響應(yīng)速率使溫度傳感器能夠快速響應(yīng)任何溫度變化，從而提供準(zhǔn)確的讀數(shù)。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 — 底部安裝

傳感器位置應(yīng)盡可能靠近要監(jiān)測(cè)的熱源。應(yīng)避免在發(fā)熱IC 和溫度傳感器之間的 PCB 上穿孔或切口，因?yàn)檫@可能會(huì)減慢或阻止熱響應(yīng)。如果可能，請(qǐng)將溫度監(jiān)測(cè)器安裝在PCB 底部直接位于熱源下方。

傳感器安裝在熱源的另一側(cè)

TI 建議使用過孔將熱量從 PCB 的一側(cè)快速傳遞到另一側(cè)，因?yàn)榕c FR-4 相比，過孔具有更好的銅導(dǎo)熱性?？梢允褂帽M可能多的并行過孔或填充式傳導(dǎo)過孔，將熱量從熱源傳遞到溫度監(jiān)測(cè)器，以便在兩個(gè) IC 之間實(shí)現(xiàn)快速熱平衡。帶有 DAP 的 QFN 或 DFN 封裝有助于進(jìn)一步縮短過孔與傳感器管芯之間的熱阻路徑。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 — 地層注意事項(xiàng)

如果將溫度傳感器放置在熱源的另一側(cè)是不切實(shí)際或不劃算的做法，請(qǐng)將其放置在盡可能靠近熱源的同一側(cè)。

共用的地層有助于實(shí)現(xiàn)熱平衡

在熱源和溫度監(jiān)測(cè)器之間建立熱平衡的最有效方法是使用地層。應(yīng)使用從熱源延伸到溫度傳感器的堅(jiān)固地層。

結(jié)論

在具有熱電區(qū)域或高耗電 IC 的 PCB 設(shè)計(jì)中，溫度監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。必須評(píng)估本地溫度傳感器的選擇是否符合相關(guān)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求和保護(hù)方案。

應(yīng)考慮傳感器位置和高導(dǎo)熱率路徑，以此在傳感器和發(fā)熱元件之間建立快速熱平衡。