系统设计工程师开发电子产品时往往受到两方面的限制，令他们不得不审慎考虑系统的散热问题。其中一个条件限制是印刷电路板及机盒的大小及成本。由于产品越趋小巧，因此机盒内的气流较少，很难降低耗电量大而又敏感的半导体芯片的温度。性能是另一个条件限制，因为我们不断提高处理器、数字信号处理器(DSP)及控制器(MCU)的性能，但根据摩尔定律，处理器性能每提升一倍，功耗也相应增加一倍。由于受到这两方面的限制，因此电子产品很易在操作时积聚大量热能，令温度不断攀升，以致影响系统的可靠性，甚至功能能否充分发挥也会受到影响。以这两方面的问题来说，温度传感器芯片都可发挥关键性的保护作用。
建立热能控制系统模型
电路板及机盒的功能设计全部完成之后，我们便应立即建立热能控制系统的模型。图1的彩色绘图清楚显示出现在系统设计内的多个瓶颈地带，同时也让我们知道是否有必要加设主动式温度感测及控制装置(参看图1)。美国国家半导体的www.national.com/appinfo/webench/webtherm/网页载有这类建模工具的示例，全部都极有参考价值。
需要保护的关键电路一经确定之后，便必须制定相关的保护策略。
保护策略
一直以来，工程师都利用铜线或金属块作为散热器，以保护会耗散大量热能的芯片。这个方法仍然很受欢迎，但只局限于并不怎样计较产品轻重的系统。从热能管理的角度来看，计算机制造商其实有很多值得我们学习的地方。他们采用的保护计算机的方法也适用于其他电子产品，而事实上这些方法已被其他行业如电子游戏机及汽车电子系统业的制造商所广泛采用。以下是几个基本的保护方式：
利用空气的对流作用提供被动式保护
利用恒温器提供开/关保护
利用温度传感器提供主动式保护
包括电压监控及扇速控制功能的监控硬件
有一点很重要，那就是采用塑胶封装的温度传感器芯片可在–55°C至150°C的温度范围内操作。对于需要在150°C至180°C的高温范围内操作的先进系统来说，无封装的传感器裸粒仍可适用。
图1：利用WEBENCH网上设计工具进行模拟测试的结果
被动式保护
目前有几个保护系统的方法最具经济效益，例如适当降低功率的额定值、让空气自由流动以及采用散热器。为了确保产品性能可靠，符合集成电路制造商所作的保证，芯片本身的连接面温度必须不能超过数据表所列的数值(约150°C)。
电源管理芯片的数据表都将有关的方程式一一列出，让工程师可以利用降低功率额定值的方法计算散热器的大小。有关方程式已将芯片至封装、封装至散热器、以及空气对流等不同散热方面的热阻计算在内。
恒温器芯片
采用恒温器芯片可以避免电子产品因为产生大量热能而烧毁其中的电子零件，而且这是一个简单而又快捷的解决方法。恒温器芯片可将电子产品转入备用模式，甚至停止电源供应器的供电，或启动散热扇。例如，美国国家半导体的LM26及LM27温度传感器芯片属于成本效益非常高的恒温器，跳转点低至只有23°C，最高可达145°C，应用范围非常广泛。此外，这款恒温器也有2°C或10°C两种磁滞可供选择，以满足不同热滞后时间及热质量的不同要求。
数字温度传感器
数字温度传感器内置二极管传感电路、模拟数字转换器、寄存器及接口区块。8位传感器的精确度可达4°C左右。在室温下，16位传感器的精确度可达0.33°C。传感器需要感测的温度范围越小，其准确度便越高，因为温度传送函数呈双曲线的特性。
传感器必须具备较高的准确度，其中一个原因是系统参数可能会突然出现很大的转变。系统最好能在不影响运作可靠性的前提下尽量靠近容许的温度极限操作。假设我们采用的微控制器可在高达125°C的温度环境下操作，而所采用的温度传感器具备4°C的准确度，那么示警信号的发出必须设在117°C，以便截断处理器的供电。若传感器的准确度达1°C，即使温度高达123°C，系统仍可继续操作。
SPI、SMBus或I2C是几种专门用于通信的接口。由于这几种通信接口可以传送完整可靠的输出数据流，因此传感器可以置于距离微控制器20至30cm而噪音也较多的地方。像美国国家半导体LM75B这类数字传感器可以承受高达300mV的总线噪音，即使在这样高的噪音干扰下，这类数字传感器仍可继续传送信号，而且保证信号不会出现讹误。由于模拟传感器的典型输出为10mV/°C，因此只要有10mV的噪音，传感器输出的数据便会出现讹误。
图2：LM63传送函数示例
远程二极管感测
即使传感器可以准确感测温度，我们也永远无法获悉受保护芯片的准确温度。目前多家厂商生产“容易变热＂的芯片如现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、视频处理器或功率场效应晶体管(FET)时，将二极管一并集成到电路板上，以便感测温度。为了确保可为不同远程二极管的特性提供支持，用户可以为二极管挑选合适的非理想系数，而线迹(trace)的电阻可以加以补偿(寄存器设定)。后者非常重要，因为线迹电阻达到“1＂时，便会产生1°C的温度错误，因为这些传感器负责测量低至只有数mV的低电平信号。
扇速控制
许多以上所述的远程传感器都设有直流电扇速控制功能，因此即使温度上升系统也不必全面停止操作。大部分散热扇控制器采用脉冲宽度调制(PWM)控制直流电扇速。可惜许多PWM输出只能在20kHz以下的频率进行，如此低的频率很易产生人耳也可察觉的噪音。为免产生这类噪音，散热扇控制器必须在极高或极低的频率下进行PWM开关。部分传感器如美国国家半导体的LM63远程二极管传感器更设有可编程的PWM开关，开关频率高达180kHz，并且可以逐级递增。若果必须在这个较高的频带范围内操作，而密封盒/散热扇或系统的其他元件却出现谐振频率，这款传感器仍可在22Hz至703Hz的PWM频率范围内进行操作。只要PWM与温度传送的函数曲线呈拋物线的形状，散热扇便会产生最少噪音。
总结
集成电路的可靠性以及功能能否充分发挥在很大程度上取决于环境情况，其中以电及热应力的影响为最大。体积小、性能高的集成电路都有热应力的问题，而且这个问题越来越受到业界的关注。以前，被动式的散热方法已能彻底解决散热问题。但随着闭环温度控制渐渐成为系统的重要功能特色之后，系统设计工程师现在要更深入分析各种散热方法。我们若忽略这些问题，就不只手指头烧伤那么小事。 |
