實現準確、迅速的電子熱設計
2017-09-22
作者
Mike Donnelly，Mentor Graphics首席工程師
本文探討整合的電子+熱設計環境，如何協助電子工程師迅速打造準確的熱設計，並且第一次就通過正確性檢查。
成功的電路設計包括正確的熱分析：在不同運作條件下會產生多少熱量？是否會有元件超過額定值？通常，這個過程交由精通熱分析的熱/封裝工程師負責。雖然具備專業技術大有優勢，但流程不連續卻存在劣勢，這可能會導致無法一次獲得成功。在本文中，筆者將探討整合的電子+熱設計環境，將有助於電子工程師的熱設計「首次就通過正確性檢查」。
IEEE標準1076.1(VHDL-AMS)是實現整合系統觀點的關鍵，它不僅原生支援類比和數位電子硬體的建模，同時包括熱特性以及在這些方面之間的互動。
下面幾個例子說明了這種建模功能如何及時提供重要電熱互動的可見性。免費的線上電路模擬平台SystemVision Cloud提供了這些例子。建議大家透過本文的數位版點選相關連結，打開這些電路的「即時圖」。在這些圖中，您可以查看其他訊號和元件參數值，或者複製電路並進行修改，然後執行新的模擬，就可以立即看到修改後的結果。
第一個例子是「虛擬熱校準」電路，當線性穩壓器在預期用途內針對特定元件進行配置後，此電路可以協助設計人員預測穩壓器的溫度。該配置基於元件製造商的產品規格表所提供的資訊。在SystemVision Cloud中，使用者可以調整穩壓器模型的參數，使之與特定元件編號的電氣和熱特性相匹配。這些參數包括輸出電壓、壓降(VDO)、電流限制以及接面-外殼、接面-環境或散熱片的熱阻值。值得注意的是，穩壓器模型上的紅色端子是「熱」接點，從內部耗散出來的熱量將經由這個點傳到外部熱網路。
在此例中，針對L78S05中外殼至環境的直接熱傳遞進行建模(即沒有散熱片)。產品規格表指定接面-外殼的熱阻值是5℃/W，而針對T0-220封裝的接面-環境熱阻值是50℃/W。因此，假定45℃/W的差值是外殼-環境的熱阻值。在示例的電路中，這個值被指定為散熱片熱阻值。如果使用實際的散熱片，則採用發佈的熱阻值。
如果提供了散熱片的熱容值，可以輸入到模擬系統，則不僅能預測穩態操作溫度，還可以預測輸入電壓和負載瞬態引起的溫度響應。輸入電壓函數產生器可以運用任何時間變化輸入電壓曲線。並可調整負載電流級或使用客製動態負載模型。綜合上述操作即可準確地表示預期的穩壓器操行環境。
第二個例子是類似但更完整的線性穩壓器電路。5V穩壓器由120Vac/60Hz的輸入驅動，使用變壓器/整流器電路降至9V的DC線性電壓。所需的電流負載能力是5A，高於線性穩壓器元件本身的電流限制(1A)。電流差值由MJ2955 PNP旁路電晶體的負載分配功能提供。(註：該設計基於2014年11月Rev.27版《安森美半導體產品規格表MC7800/D》中圖11的應用電路)。
請注意，所有的功耗電子模型，包括整流器二極體、線性穩壓器、雙極接面電晶體(BJT)與電流感測電阻等，以及主變壓器和次變壓器的有效繞組電阻，全部都有紅色的「熱」端子，該端子可將熱傳至外部熱網路。外部熱網路包括散熱片的熱容(0.1J/℃)、傳至環境的熱阻(1℃/W)，以及產品規格表發佈的各個主動電子元件的接面-導線熱阻。BJT熱容採用假定的值(0.005J/℃)。該值並非由製造商提供，而是為實現快速的熱時間常數而選定的，僅用於模擬。
第三個例子是一個完整的熱控制系統，在快速變化的功耗條件下使用熱電冷卻器(TEC)將自加熱電子裝置(如雷射器)產生的熱傳遞出去。負溫度係數(NTC)型熱敏電阻器的電阻對溫度極其敏感，用於Wheatstone電橋配置。電橋產生的差分電壓被運算放大器(op-amp)電路放大。在有限範圍內，運算放大器輸出電壓幾乎與溫度成正比，相位差為180度。
控制迴路的其餘部份使用理想的數學控制模組進行建模。這種抽象化使得設計人員能夠專注於穩壓器的整體性能，並且評估實際瞬態運作期間的PID增益選擇。自加熱「雷射器」的驅動電壓透過電熱電阻器簡單建模，被逐步提高到幾種操作級(藍色波形)。雷射器的溫度(紅色波形)保持在25℃的設定值，僅在功率轉換期間出現瞬間的干擾。
總結
在現實世界中，系統的電、熱雙方面是相輔相成的。將電和熱分開來分析時是否能妥善評估真實情況？熱工程師是否按各種運作狀態處理各個元件的散熱，還是假定所有元件以滿功率運作？電氣工程師是否知道熱工程師想要讓電路的哪個部份保持冷卻？明確說明啟用某些部份時哪些部份會關閉是否對他們有所幫助？IEEE標準VHDL-AMS模型同時支援電與熱模擬，有助於彌合這些認知差距，以避免生產硬體發生意外情況。
