4.1 如何监控电路板温度

大家好，欢迎观看有关如何使用温度 传感器监测电路板温度的TI 高精度实验室 视频。 在本视频中，我们将讨论 实现电路板温度监测方案的需求、挑战 和技术。 电路中的热问题可能会影响系统性能 并损坏昂贵的组件。 测量 PCB 的温度能够 帮助实时发现这些 热问题并采取预防 或纠正措施。 例如，系统设计人员可能需要 监测 MCU、GPU 或FPGA 等耗电量大的 IC 的裸片温度，以动态调节 其性能，控制系统中的风扇 转速，或启动安全系统 关断。 相关的经典示例是台式计算机。 可以使用各种传感器来监测 电路板温度，如温度传感器 IC、热敏 电阻和 RTD。 在本视频中，我们将查看本地和远程 温度传感器 IC。 本地温度传感器通过测量其自己的 裸片温度来确定温度。 因此，务必了解温度传感器的 裸片与要确定其温度的 物体或环境之间的 主导温度传导 路径。 热量主要通过以下路径进行传导。 如果封装类型不包括裸片连接焊盘或 DAP， 那么引线和引脚提供最重要的 热路径。 DAP 如果存在，则会提供 PCB 与裸片 之间第二活跃的热路径，因为 DAP 与裸片之间存在热环氧树脂。 最后，模压化合物提供额外的 热路径。 但由于其低导热系数，通过模压化合物本身 进行的任何热传递都低于通过引线或 DAP 进行的热传递。 封装类型选择决定了温度 传感器响应温度变化的 速度。 该图像显示了所选用于温度 测量的 SMT 封装类型中不同级别的 热响应速度。 如果需要快速从 PCB 进行热传递， 则 CSP 或 DSBGA 等不带模压化合物的 封装类型和 QFN或 DFN 等带 DAP 的 封装是理想之选，而不带 DAP 的封装 类型更适合用于需要较慢响应 速度的应用。 较快的热响应速度使温度 传感器能够快速响应任何温度变化， 因此能够提供对系统条件变化的 更快响应。 远程温度传感器通过测量远程 结型二极管的温度来确定温度。 温度传感器通过驱动不同的电流 并测量基极发射极电压来工作。 如果知道 VBE与电流的比率， 则可以使用Eber-Molls 模型 轻松地计算远程结的温度。 由于可以轻松地将远程结型二极管 或晶体管置于靠近热源的位置 -- 如果处理器、GPU 和 FPGA 置于 裸片中 -- 到器件的 热路径不像电路径那么重要， 以确保具有极小的噪声， 从而实现精确的温度读数。 不过，在测量电路板温度时，可以将 放置本地温度传感器的 相同规则应用于 分立式晶体管。 PCB 材料具有低导热系数。 在使用带散热焊盘并且另一侧 具有热源的温度传感器时， 需要创建散热焊盘。 在这种情况下，需要在另一侧 放置铜焊盘，该焊盘使用通孔 连接到散热焊盘。 由于铜具有高导热系数， 因此会从热源创建低热阻路径，从而 允许热量传递至裸片连接焊盘。 这可以提供到裸片的高效热传递，因此 可以缩短传感器的热响应时间。 对于不具有热焊盘的封装， 到检测元件的热传递的 主要热源将是引线。 这适用于表面贴装 封装和许多通孔式封装。 该类别的传感器之间的 主要有效差异是热质量。 SOT 和 SOIC 封装等较大的引线式 封装将具有热质量，从而导致响应时间较长。 由于此类封装通过引线进行的热传导 大约是 60%至 70%，因此 可以通过 PCB设计技术缩短 响应时间。 在大多数情况下，封装本身无法 直接与热源接触。 因此最好的方法是设计 将引线用作该热路径的 PCB。 例如，对于BGA 封装，这 意味着使用铜迹线和通孔 创建电路板底部到 IC 焊球的 热路径。 重申一下，通过实际PCB 材料进行热传导 效果极差。 因此，我们在 PCB 的底部使用了通孔 和铜焊盘。 铜通孔的热连接性将远强于 PCB 底层 材料的热连接性，从而使得从热源 到传感器的热传递速度 更快。 正如我们先前提到的，远程温度传感器 在二极管配置中使用 BJT，以检测 温度。 由于热敏电阻可能位于裸片中 或足够靠近热源，因此放置 传感组件不像迹线的 信号完整性那样重要。 对于此类热源，必须将远程结的 迹线排布在内部铜层中，并使用 顶部和底部铜层上迹线 周围的接地或电源平面进行屏蔽。 选择的传感器位置应尽可能 靠近要监测的 热源。 在 PCB 中避免发热 IC 与温度 传感器之间出现缝隙， 因为这会降低热响应速度。 如果可能，将温度监测器 安装在 PCB 的底部，位于热源的正下方， 如图中所示。 正如已展示的那样，对于快速从 PCB 的 一侧到另一侧传递热量而言，通孔 是一种非常有效的方法，因为与 FR-4 PCB 材料相比，铜具有更高的导热系数。 因此，使用尽可能多的并列通孔 或使用填充的导热通孔从热源 到温度监测器传递热量可以 快速在两个IC 之间实现 热平衡。 带 DAP 的 QFN或 DFN 封装 可以进一步帮助减少通孔 与传感器裸片之间的热阻路径。 如果在热源的另一侧放置 温度传感器不切实际或不具有成本效益， 则将其放置在同一侧并尽可能 靠近热源，如图中所示。 在热源与温度传感器之间 建立热平衡的最有效方法 是通过接地平面，使用从 热源延伸至温度传感器的 实心接地面。 感谢您观看本有关电路板温度 监测的 TI 高精度实验室视频，其中 我们讨论了传感器热路径和电路板温度 监测的可选