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善用工業設計考量,避免受溫度與電磁干擾損害

時間:2014-10-22 15:41來源:TI高速訊號與資料路徑技術 作者: Rick Zarr 點擊:
序論
在工業應用中,電子控制與感測能幫助或改善製造、加工或生產諸多層面,但電子系統必須身處在各種嚴峻環境中,例如鋼鐵、石油產品與化學物質等生產線,或極為炎熱、骯髒、潮濕的礦區。設計任何系統時皆要審慎考量,必須能適應各種條件,包括極為強烈的電場及磁場在內,在設計時,若能時時謹記這些條件,並設想最糟糕的處境,無論系統安裝在何種環境中,均可確保系統持續運作。
 
穩定度的重要性
現代社會充滿低價電話與消費電子產品,工程師為何得擔心工廠不時發生的故障情況?其實關鍵並非電子設備或系統維護成本,而是安全或廠區降低產能,大型製造廠可能斥資數十億美元興建、數百萬美元營運,系統故障造成停工後,可能得花數天才能恢復,每日營收損失數十萬、數百萬美元;此外,若人員性命受到影響,後果更是不堪設想,換言之,這些設備絕對禁不起故障。
 
在一般正常運作中,人員不會觸及電子控制系統安裝位置,例如鍋爐附近或大型設備後方,因此若要調整控制系統,生產區必須停擺。工業系統在建置時,便預設為運作多年 (或終生) 不需維修或不會故障,這也是工業系統設計師面臨的挑戰。
 
散熱管理難題
電晶體及其他電子系統零組件運作時,都會產生熱能,必須受到良好管理,否則高溫恐將傷害或影響裝置,只要觀察半導體組成的情況,即可明白這項問題的嚴重性。
 
晶片製作運用擴散或退火等熱製程,讓物質在結構週遭或內部移動。在高溫 (1200℃以上) 之中,物質原子在製程內移動或形成結晶體,除非晶片處於絕對零度 (0℉或-273.15℃) ,否則雖然熱移動速度減緩,但仍會持續擴散的製程。
 
使用矽製造晶片的一大特點,在於矽與阻抗及溫度的非線性關係。在室溫之下,隨著晶片運作溫度提高,矽的阻抗也會增加,不過溫度若超過建議上限,阻抗會開始下滑,產生正回饋條件。多種系統因素都可能導致晶片內發生這種情況,造成熱失控,並隨著電流流動增加,溫度提高降低路徑阻抗,最後摧毀晶片。
 
許多電源晶片及電壓穩壓器都在輸出階段設計過溫保護功能,防止熱失控永久傷害晶片,但這項設計仍會中斷系統運作。且即使晶片始終未達過溫保護程度,高溫仍會損及長期穩定度,導致永久故障,故仍得依據產品說明書的建議條件操作,才能確保封裝內的晶片溫度維持在安全值內。
 
為管理設備的運作溫度,製造商常運用風扇增加發熱元件週遭的空氣流動。然而風扇長期穩定度向來不佳,且工業設備大多位於室內,無法以戶外空氣降溫,因此必須透過熱路徑,將熱能從晶片帶往較低溫的位置。
 
將晶片做為熱源,則必須使用晶片產品說明書內載的熱阻抗,以熱能離開裝置的速率為基準,計算溫度上升情況。熱阻抗計算則依據晶片每瓦功率散逸的攝氏溫度,以及熱能移動路徑,例如從晶片至外殼的熱阻抗稱為θJC。
 
這些數值極為重要,例如在SOT-223封裝內,LM340等小型線性穩壓器以銅面做為散熱片,則θJA  (從晶片至週遭空氣的熱阻抗) 約為每瓦50℃,若輸入電壓為5V,輸出電壓為1.8V  (常見的CMOS核心電壓) ,負載為1A,則穩壓器功率耗散為3.2瓦。代表即使印刷電路板上大片表面做為散熱片,且週遭空氣溫度為20℃,晶片溫度仍將升至160℃,遠超過裝置正常運作溫度,可能導致過溫保護或長時損害。
 
在此案例中,除非有銅以外的低熱阻抗直接連至外殼,否則無法幫助熱能脫離晶片,印刷電路板銅面的導熱速度顯然不夠快,來不及阻止晶片內部溫度攀升,解決方案例提升5V至1.8V轉換效率 (例如LMZ10501奈米模組切換穩壓器) ,或是採用熱阻抗較低的封裝,並占用更多印刷電路板表面面積。
 
熱阻抗與電阻抗一樣,都能加總後計算溫度上升幅度,例如TRise = PDissipated × (θJC + θCA + θAE),熱阻抗包括θJC(晶片至外殼) 、θCA (外殼至週遭空氣) 、θAE (週遭空氣至(設備所在)環境) ,選擇熱阻抗極低封裝有助散熱,或是在外殼加裝鋁製散熱片或熱導管,都能提供熱阻抗較低的路徑,藉以降低運作溫度,大幅提高長期穩定度。
 
電磁考量
設備置於密閉環境內,熱能管理並非唯一問題,電磁環境與電磁干擾也是需要考量的問題之一。在許多工程師眼中,電磁干擾耐受是指閃電或其他過電壓造成的損害,但會引發故障的極端電磁場不只如此。
 
設計師必須想辦法減少靜電破壞,若電纜 (及電源) 進入機殼,無論正常運作狀況如何,都會成為大量電壓進入設備的路徑。供電路徑在設計時,都會防堵電壓快速上升,輸入階段甚至設有高速電壓監控裝置,能夠限制輸入,避免過電壓造成損害。但是當設備以電纜連結時,就形成各種路徑,並會在電纜電容之中儲存電荷,感測器模組與控制器之間的電纜常超過千呎。
 
電擊等自然現象都可能摧毀設備,不過交叉衝擊效應更加細微。當充滿電荷的雷雲頂飄至長程電纜上空,吸引電纜裡的異極電荷 (如圖1) ,通常兩者電荷會相互吸引,但若另一塊具有異極電荷的雲層飄過附近,線路上方的兩塊雲層就會產生靜電放電 (閃電) 。
 

圖1:帶有異極電荷的雲層飄過時,產生交叉衝擊
 

圖2:交叉衝擊可能導致終端設備受損
 
電纜上方雲層電荷散逸後,電纜內受吸引的電荷也得耗散,在快速耗散過程時,電纜兩端會出現極大電壓,若未經控制,可能摧毀兩端設備 (如圖2) 。為降低損害,終端設備電纜會設置電弧管或避雷器及靜電放電保護兩極體,提供電荷接地路徑,否則主要路徑將會經過電纜驅動器或收發器,也很可能無法負荷。
 
如前所述,其他電磁干擾不會直接傷害晶片,而是導致晶片偏移運作點,或是超過上限。許多製造廠如今使用微波熱水器或其他射頻來源,這些大型射頻電場會導引電流,進入晶片內各個寄生二極體與主動式元件,若晶片設計時並未考慮這些電場,內部偏置點可能會移動,改變線路的運作點。
 
另一項常見的非工業電磁干擾問題出現在免持聽筒電話裡,放大器常受到手機等射頻來源影響,使用免持聽筒電話,若與手機距離相近,很容易出現嗡嗡聲,蜂巢式發送器的射頻能量在放大器鏈內寄生解調,因此會透過擴音機傳出聲音。
 
不過在工業控制應用內,這種現象會更加嚴重,常導致精密測量失調,造成溫度感測誤差好幾度,或是遙控感測器測量錯誤,許多製程的容忍度極低,任何偏差都可能導致製造嚴重故障或品質下滑。
 
為處理這些問題,設計師必須採用抗射頻元件(與抗輻射晶片不同),LMP2021 (單) 與LMP2022 (雙) 運算放大器等晶片都是針對高射頻電場設計,確保表現精準,使用此類晶片後,將減少射頻干擾造成精密應用誤差。
 
結論
工業環境條件對電子系統相當嚴峻,設計師必須考量溫度升高,以及其他導致損害及干擾的因素,目前許多解決之道都結合晶片設計,以處理極端條件,不過最終系統能否運作多年無虞,仍取決於設計師的決定。
 
 
 
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(責任編輯:jane)
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