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温度问题为您解决(二)系统温度监测

2019-07-16
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上一篇文章中,我们已经就温度传感的基本原理进行了介绍。本文将继续这个话题,阐述系统温度监测这个话题。


对于许多系统设计,有必要监测高功率组件(处理器、现场可编程门阵列、场效应晶体管)以确保系统和用户安全。温度读数的精确性非常重要,因为它使设计人员能够在提高性能的同时保持在安全限制内,或者通过避免在其他地方过度设计来降低系统成本。德州仪器 (TI) 的紧凑型高精度温度传感器产品系列可以更靠近这些关键组件放置,实现最精确的测量。


如何监测电路板温度

电路中的温度问题会影响系统性能并损坏昂贵组件。通过测量印刷电路板 (PCB) 中存在热点或高耗电集成电路(IC) 的区域的温度,有助于识别热问题,进而及时采取预防或纠正措施。


您可能希望监测高耗电 IC(例如中央处理单元、专用 IC、现场可编程门阵列或数字信号处理器)的管芯温度以动态调整其性能,或者可能希望监测功率级周围的热区,以便控制系统中的风扇速度或启动安全系统关闭程序。最终目标是优化性能并保护昂贵的设备。


从 PCB 到温度传感器的热传递

本地温度传感器测量它们自己的管芯温度以确定特定区域的温度。因此,了解管芯与传感器周围物体或环境之间的主要温度传导路径至关重要。主要通过两种路径导热:通过连接到封装的管芯连接焊盘 (DAP)或通过封装引线引脚。DAP(如果存在)提供 PCB 和管芯之间最主要的导热路径。

带有 DAP 的封装


如果封装类型不包含 DAP,则引线和引脚提供最主要的导热路径。

不带 DAP 的封装


模塑化合物提供额外的导热路径,但由于其低导热性,通过模塑化合物本身进行的任何热传递均比通过引线或DAP进行的热传递更慢。


热响应

封装类型决定了温度传感器对温度变化的响应速度。下图显示了用于温度测量的不同类别的选定表面贴装技术封装类型的相对热响应速率。

不带模塑化合物的封装(芯片级封装、管芯尺寸球栅阵列封装)和带有 DAP 的封装(四方扁平无引线 [QFN] 封装、双边扁平无引线 [DFN] 封装)是专为需要从 PCB 快速进行热传递的应用而设计的,而不带 DAP 的封装是专为需要较慢响应速率的应用而设计的。快速的热响应速率使温度传感器能够快速响应任何温度变化,从而提供准确的读数。


设计准则 — 底部安装

传感器位置应尽可能靠近要监测的热源。应避免在发热IC 和温度传感器之间的 PCB 上穿孔或切口,因为这可能会减慢或阻止热响应。如果可能,请将温度监测器安装在PCB 底部直接位于热源下方。

传感器安装在热源的另一侧


TI 建议使用过孔将热量从 PCB 的一侧快速传递到另一侧,因为与 FR-4 相比,过孔具有更好的铜导热性。可以使用尽可能多的并行过孔或填充式传导过孔,将热量从热源传递到温度监测器,以便在两个 IC 之间实现快速热平衡。带有 DAP 的 QFN 或 DFN 封装有助于进一步缩短过孔与传感器管芯之间的热阻路径。


设计准则 — 地层注意事项

如果将温度传感器放置在热源的另一侧是不切实际或不划算的做法,请将其放置在尽可能靠近热源的同一侧。

共用的地层有助于实现热平衡


在热源和温度监测器之间建立热平衡的最有效方法是使用地层。应使用从热源延伸到温度传感器的坚固地层。


结论

在具有热电区域或高耗电 IC 的 PCB 设计中,温度监测至关重要。必须评估本地温度传感器的选择是否符合相关设计的系统要求和保护方案。



应考虑传感器位置和高导热率路径,以此在传感器和发热元件之间建立快速热平衡。


点击阅读原文,快速定位TI模拟专栏,查看更多TI传感器类产品的最新、最全资料。同时,在未来的几篇文章中,我们会重点说明各种应用的设计注意事项,评估温度精度和应用尺寸之间的权衡,同时讨论传感器放置方法。



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