電子熱設(shè)計

成功的電路設(shè)計包括正確的熱分析：在不同運行條件下會產(chǎn)生多少熱量?是否會有組件超過額定值?通常，這個過程交由精通熱分析的熱/封裝工程師負責(zé)。雖然在專業(yè)技術(shù)方面大有優(yōu)勢，但流程不連續(xù)卻存在劣勢，這可能會導(dǎo)致無法一次性獲得成功。在本文中，作者將探討集成的電子+熱設(shè)計環(huán)境，它能夠幫助電子工程師“一次通過正確性檢查”。

IEEE 標準 1076.1 (VHDL-AMS)不僅支持模擬和數(shù)字電子硬件的建模，還支持熱特性以及這些方面之間的交互，是形成集成系統(tǒng)觀點的關(guān)鍵。下面幾個例子說明了這種建模功能如何及時提供重要電熱交互的可見性。免費在線仿真平臺SystemVision Cloud中提供了這些例子。大家可以在該平臺中打開這些電路的“實時圖”。在這些圖中，您可以查看其他信號和元器件參數(shù)值，或復(fù)制電路并作出修改，然后運行新的仿真，就可以立即看到修改后的結(jié)果。

線性穩(wěn)壓器溫度探測器

圖1：線性穩(wěn)壓器溫度探測器仿真。

第一個例子是“虛擬熱校準”電路，當(dāng)線性穩(wěn)壓器在預(yù)期用途內(nèi)針對特定元件進行配置后，此電路可以幫助設(shè)計人員預(yù)測穩(wěn)壓器的溫度。配置基于元器件制造商的產(chǎn)品說明所提供的信息。在SystemVision Cloud中，用戶可以調(diào)整穩(wěn)壓器模型的參數(shù)，使之與特定元件編號的電氣和熱特性相匹配。這些參數(shù)包括輸出電壓、VDO、電流限制，以及結(jié)-殼、結(jié)-環(huán)境或散熱器的熱阻值。需要注意的是，穩(wěn)壓器模型的紅色端子是“熱”連接點，從內(nèi)部散發(fā)出來的熱量將通過這個點傳到外部熱網(wǎng)絡(luò)。

這個例子針對L78S05中殼至環(huán)境的直接熱傳遞進行建模(即沒有散熱器)。產(chǎn)品說明規(guī)定結(jié)-殼熱阻值是5°C/W，針對T0-220封裝的結(jié)-環(huán)境熱阻是50°C/W。因此，假定45°C/W的差值是殼至環(huán)境的熱阻值。在示例的電路中，這個值被指定為散熱器熱阻值。如果使用實際的散熱器，則采用發(fā)布的熱阻值。

如果提供了散熱器的熱容值，可以輸入到仿真系統(tǒng)，這樣不僅可以預(yù)測穩(wěn)態(tài)工作溫度，還可以預(yù)測輸入電壓和負載瞬態(tài)引起的溫度響應(yīng)。輸入電壓函數(shù)發(fā)生器可以運用任何時變輸入電壓曲線。可調(diào)整負載電流水平或使用定制動態(tài)負載模型。綜合上述操作可以準確地表示預(yù)期的穩(wěn)壓器運行環(huán)境。

AC-DC電源適配器的熱建模與電流升壓穩(wěn)壓器

圖2：AC-DC電源適配器的熱建模仿真。

第二個例子是類似但更完整的線性穩(wěn)壓器電路。5V穩(wěn)壓器由120Vac/60Hz的輸入驅(qū)動，使用變壓器/整流器電路降至9V的DC線電壓。所需的電流負載能力是5A，高于線性穩(wěn)壓器元器件本身的電流限制(1A)。電流差值由MJ2955 PNP旁路晶體管的負載分配功能提供。(注：該設(shè)計基于2014年11月修訂版27《半導(dǎo)體產(chǎn)品說明 MC7800/D》中圖11的應(yīng)用電路)。

請注意，功耗電子模型(包括整流器二極管、線性穩(wěn)壓器、雙極結(jié)晶體管(BJT)、電流傳感電阻器，以及主變壓器和次變壓器的有效繞組電阻)有紅色的“熱”端子，該端子可將熱傳至外部熱網(wǎng)絡(luò)。外部熱網(wǎng)絡(luò)包括散熱器的熱容(0.1J/°C)、傳至環(huán)境的熱阻(1°C/W)，以及產(chǎn)品說明發(fā)布的各個有源電子元器件的結(jié)-引線熱阻。BJT熱容采用假定的值(0.005J/°C)。該值并非由制造商提供，而是為實現(xiàn)快速的熱時常數(shù)而選定的，僅用于仿真。

使用熱電冷卻器(TEC)的電子溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

圖3：使用熱電冷卻器的電子溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

第三個例子是一個完整的熱控制系統(tǒng)，在不斷變化的功耗條件下使用熱電冷卻器(TEC)將自熱電子設(shè)備(如激光器)產(chǎn)生的熱傳遞出去。NTC類熱敏電阻器的電阻對溫度極其敏感，用于Wheatstone電橋配置。電橋產(chǎn)生的差分電壓被運算放大器電路放大。在有限范圍內(nèi)，運算放大器輸出電壓幾乎與溫度成正比，相位差為180度。

控制回路其余部分是使用理想的數(shù)學(xué)控制模塊來建模的。這種抽象化使設(shè)計人員能夠?qū)Ｗ⒂诜€(wěn)壓器的整體性能，評估瞬態(tài)運行期間的PID增益的選擇。自熱“激光器”的驅(qū)動電壓是通過電熱電阻器簡單建模的，被逐步提高到幾種運行水平(藍色波形)。激光器的溫度(紅色波形)保持在25°C的設(shè)定值，在功率轉(zhuǎn)換期間只有瞬間的干擾。

總結(jié)

在現(xiàn)實世界中，系統(tǒng)的電方面和熱方面是相輔相成的。將電和熱分開來分析時是否能妥善評估真實情況?熱工程師是否按各個運行狀態(tài)處理各個元器件的散熱，還是假定所有元器件以滿功率運行?電氣工程師是否知道熱工程師想要讓電路的哪個部分保持冷卻?明確說明啟用某些部分時哪些部分會關(guān)閉是否對他們有所幫助?IEEE標準VHDL-AMS模型支持電熱仿真，幫助彌合這些認識差距，防止生產(chǎn)硬件發(fā)生意外情況。