集成的電子+熱設(shè)計(jì)環(huán)境的探討

成功的電路設(shè)計(jì)包括正確的熱分析：在不同運(yùn)行條件下會(huì)產(chǎn)生多少熱量？是否會(huì)有組件超過(guò)額定值？通常，這個(gè)過(guò)程交由精通熱分析的熱/封裝工程師負(fù)責(zé)。雖然在專(zhuān)業(yè)技術(shù)方面大有優(yōu)勢(shì)，但流程不連續(xù)卻存在劣勢(shì)，這可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)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(jì)環(huán)境，它能夠幫助電子工程師“一次通過(guò)正確性檢查”。

IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 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(diǎn)的關(guān)鍵。下面幾個(gè)例子說(shuō)明了這種建模功能如何及時(shí)提供重要電熱交互的可見(jiàn)性。免費(fèi)在線仿真平臺(tái)SystemVision Cloud中提供了這些例子。大家可以在該平臺(tái)中打開(kāi)這些電路的“實(shí)時(shí)圖”。在這些圖中，您可以查看其他信號(hào)和元器件參數(shù)值，或復(fù)制電路并作出修改，然后運(yùn)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(cè)器

圖1：線性穩(wěn)壓器溫度探測(cè)器仿真。

第一個(gè)例子是“虛擬熱校準(zhǔn)”電路，當(dāng)線性穩(wěn)壓器在預(yù)期用途內(nèi)針對(duì)特定元件進(jìn)行配置后，此電路可以幫助設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)穩(wěn)壓器的溫度。配置基于元器件制造商的產(chǎn)品說(shuō)明所提供的信息。在SystemVision Cloud中，用戶(hù)可以調(diào)整穩(wěn)壓器模型的參數(shù)，使之與特定元件編號(hào)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(diǎn)，從內(nèi)部散發(fā)出來(lái)的熱量將通過(guò)這個(gè)點(diǎn)傳到外部熱網(wǎng)絡(luò)。

這個(gè)例子針對(duì)L78S05中殼至環(huán)境的直接熱傳遞進(jìn)行建模(即沒(méi)有散熱器)。產(chǎn)品說(shuō)明規(guī)定結(jié)-殼熱阻值是5°C/W，針對(duì)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(gè)值被指定為散熱器熱阻值。如果使用實(shí)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(cè)穩(wěn)態(tài)工作溫度，還可以預(yù)測(cè)輸入電壓和負(fù)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(yùn)用任何時(shí)變輸入電壓曲線。可調(diào)整負(fù)載電流水平或使用定制動(dòng)態(tài)負(fù)載模型。綜合上述操作可以準(zhǔn)確地表示預(yù)期的穩(wěn)壓器運(yùn)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(gè)例子是類(lèi)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(dòng)，使用變壓器/整流器電路降至9V的DC線電壓。所需的電流負(fù)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(fù)載分配功能提供。(注：該設(shè)計(jì)基于2014年11月修訂版27《半導(dǎo)體產(chǎn)品說(shuō)明 MC7800/D》中圖11的應(yīng)用電路)。

請(qǐng)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(shuō)明發(fā)布的各個(gè)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(shí)現(xiàn)快速的熱時(shí)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(gè)例子是一個(gè)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(lèi)熱敏電阻器的電阻對(duì)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(yùn)算放大器電路放大。在有限范圍內(nèi)，運(yùn)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(lái)建模的。這種抽象化使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂诜€(wěn)壓器的整體性能，評(píng)估瞬態(tài)運(yùn)行期間的PID增益的選擇。自熱“激光器”的驅(qū)動(dòng)電壓是通過(guò)電熱電阻器簡(jiǎn)單建模的，被逐步提高到幾種運(yùn)行水平(藍(lán)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(shí)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(kāi)來(lái)分析時(shí)是否能妥善評(píng)估真實(shí)情況？熱工程師是否按各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)處理各個(gè)元器件的散熱，還是假定所有元器件以滿功率運(yùn)行？電氣工程師是否知道熱工程師想要讓電路的哪個(gè)部分保持冷卻？明確說(shuō)明啟用某些部分時(shí)哪些部分會(huì)關(guān)閉是否對(duì)他們有所幫助？IEEE標(biāo)準(zhǔn)VHDL-AMS模型支持電熱仿真，幫助彌合這些認(rèn)識(shí)差距，防止生產(chǎn)硬件發(fā)生意外情況。