高溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮因素

高溫工作電路的設(shè)計(jì)人員必須考慮IC參數(shù)和無源器件在寬溫度范圍內(nèi)的變化，特別關(guān)注其在極端溫度下的特性，以確保電路能夠在目標(biāo)限制內(nèi)工作。例如失調(diào)和輸入偏置漂移、增益誤差、溫度系數(shù)、電壓額定值、功耗、電路板泄露，以及其他分立器件（如ESD使用的器件和過壓保護(hù)器件）的固有泄露。例如，在高源阻抗與某放大器輸入端串聯(lián)時，無用的漏電流（非放大器本身的偏置電流）會產(chǎn)生失調(diào)，進(jìn)而引起偏置電流測量誤差（圖12）。

圖12.偏置電流和漏電流如何產(chǎn)生失調(diào)誤差

在所有情況下，高溫工作都會加重由焊劑、灰塵和冷凝等污染引起的電路板泄露。合理的布局有助于最大程度地減少上述影響，具體做法是在敏感節(jié)點(diǎn)之間提供足夠的空間，例如將放大器輸入和含噪聲的供電軌分離。

運(yùn)算放大器和儀表放大器的標(biāo)準(zhǔn)引腳排列方法是將其中一個輸入端放置在負(fù)電源端附近。這種做法會大大降低對PCB裝配后焊劑殘留的耐受能力，這些焊劑殘留會增加泄露。為了減少泄露，增加高頻CMRR，AD8229采用了與ADI公司其他精密儀表放大器相同的高性能引腳排列（圖13）。

圖13.器件引腳排列改進(jìn)有助于將寄生泄露降至最低

二極管、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和其他半導(dǎo)體器件的泄露都會隨著溫度升高成指數(shù)遞增，而且許多情況下都比放大器的輸入偏置電流高出很多個數(shù)量級。在這些情況下，設(shè)計(jì)人員必須確保極端溫度下的泄露不會降低電路規(guī)格，使其超出所需限制。

如今，有多種無源器件可供高溫工作環(huán)境使用。電阻和電容在各種電路設(shè)計(jì)中十分常見。表1列出了市場上現(xiàn)有的一些器件。

Table 1. Examples of High-Temperature Resistors and Capacitors

注意，表面貼裝器件如果靠著PCB，引腳間就很容易產(chǎn)生泄露，因?yàn)楹竸埩粼谘b配結(jié)束后還會留在電路板底部。這些焊劑殘留會吸濕，從而增加高溫時的傳導(dǎo)率。此時，表面貼裝器件中會出現(xiàn)寄生電阻（特性很難預(yù)測），可能會引起其他的電路誤差。要解決這一問題，可以考慮選用尺寸較大的芯片、鷗翼引腳，或在特別敏感的電路區(qū)域采用通孔器件。最后，在裝配過程結(jié)束前再增加一道有效的電路板清洗環(huán)節(jié)（通常采用超聲或皂化劑），無用的殘留幾乎就能全部清除。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)惡劣環(huán)境下工作的系統(tǒng)時，必須謹(jǐn)記熱管理要求。即使在用到高溫專用器件時，也應(yīng)考慮與其功耗相關(guān)的自熱效應(yīng)。例如，AD8229的保證工作溫度高達(dá)210°C，相當(dāng)于一個小輸出電流負(fù)載。由驅(qū)動高負(fù)載或永久故障條件（如輸出短路）造成的額外功耗會增加結(jié)溫，使其超過器件的最大額定值，大大降低放大器的工作壽命。請務(wù)必遵循推薦的散熱指南，并且注意電源調(diào)節(jié)器等鄰近熱源。

即使是高溫電阻，70°C以上時額定功率也會降低。應(yīng)特別注意目標(biāo)工作溫度時的電阻溫度額定值，尤其是在功耗相當(dāng)大的情況下。例如，假設(shè)額定值為200°C的電阻在190°C的環(huán)境溫度下工作，如果其因功耗產(chǎn)生的自熱為20°C，那么還是超過了額定值。

雖然許多無源器件可以承受高溫，但其結(jié)構(gòu)可能并不適合長期處于沖擊振動和高溫兼具的環(huán)境。此外，高溫電阻和電容制造商也明確規(guī)定了其在給定溫度下的工作壽命。使所有器件的工作壽命規(guī)格保持匹配對建立高度可靠的系統(tǒng)至關(guān)重要。最后，不要忘了，許多額定值達(dá)到高溫的器件可能需要降低額定值，以保持長久工作。