常問設計師“設計的板子做熱測試了沒有”,答曰“不用測,我摸了一遍,這板子上沒有感覺燙的器件”。如此理解,大錯矣。
舉例說明:某兩款筆記本電腦,本人親自用過的(為避免惹麻煩,不公布其名字),某款I廠家的鍵盤,摸著溫溫的,不熱;另一款H廠家的,摸著鍵盤發燙。我暗忖之,到底這兩款哪家的散熱更好?
I家的殼體不熱,兩種可能,一種是人家低功耗做得好,結溫也不高;第二種是散熱做得很差,結溫很高,但隔熱做得好,散不出來,有燒毀的巨大風險。
另一種H廠家的鍵盤發熱自然也是兩種可能,一是散熱做得好,結溫和殼溫差不很多,摸著外面很燙,但里面其實也就那樣了,問題不大;第二種是外面熱,里面更熱,那才叫個怕怕。
以上二均為一線大品牌(具體是哪兩家,親們,你們懂的,I是老牌的牌子,現在換成了L,H還在),我相信,他們都是很好的筆記本電腦,于是由此推理也就得出一個結論:單從器件表面的溫度是不能判斷出結溫的,而使器件燒壞的是結溫;因此單靠摸的手感來判斷器件值得做熱測試是錯誤的。那到底該如何做呢?
對MCU、驅動器件、電源轉換器件、功率電阻、大功率的半導體分立元件、開關器件類的能量消耗和轉換器件,熱測試都是必須的。不論外殼摸起來熱不熱。
熱測試分兩種方式,接觸式和非接觸式,接觸式的優點是測量準確,但測溫探頭會破壞一點器件的散熱性能,畢竟要緊貼器件表面影響散熱;非接觸式尤其是紅外測溫,誤差大,其測溫特點是只能測局部范圍內的最高溫度點。
但這些測試測出的僅僅是殼體表面溫度,結溫是不能被直接測得的,只能再通過
△T = Rj * Q
計算得出。其中,
△T是硅片上的PN結到殼體表面的溫度差(Tj-Ts),Ts即是測得的殼體溫度,單位℃
Rj是從PN結到殼體表面的熱阻,從器件的dadasheet上可以查到,單位℃/W
Q是熱耗,單位W,對能量轉換類的器件,(1-轉換效率)*輸入功率就是熱耗,對非能量轉換器件,即一般功能性邏輯器件,輸入電功率約等于熱耗。
如此,結溫可以很容易的推算得出,如果(結溫,輸入電功率)的靜態工作點,超出了器件負荷特性曲線的要求(見本博客2010-08-30發表的《器件環境溫度與負荷特性曲線的常見錯誤》),則該器件的熱設計必須重新來過。如此反復多次,直到器件的靜態工作點滿足負荷特性曲線的有效工作范圍,則熱設計和熱測試通過。
另外曾有人問我,我們傳導散熱都是采取加散熱片的方式加速散熱,可殼體表面加了散熱片,散熱片又有熱阻,豈不是加大了對散熱的阻礙?初看此問題,愣怔片刻,似乎極其有理,但深究下可發現其中的問題,熱阻不是僅僅有形的物體才有,無形的物質照樣有熱阻,比如空氣。器件散熱到空氣中,其熱阻鏈路包括:
PN結-殼表面的熱阻、
殼表面到散熱片的接觸熱阻、
散熱片本身的熱阻、
散熱片表面到空氣的基礎熱阻、
散熱片外的局部環境到遠端機箱外的風道的熱阻,
加裝了散熱片后,從表面來看,散熱片的熱阻算是新增加進來的,但如果不加的話,機殼將直接與空氣進行熱交換,這兩者間的熱阻可就大大增加了,通過加了散熱片,加大了散熱面積,意思是說,其實:
殼-空氣之間接觸熱阻》》(殼-散熱片接觸熱阻+散熱片熱阻+散熱片-空氣的接觸熱阻)
由此可以看出,加了散熱片,大大減小了散熱通道的總熱阻,仍然是對散熱有很大貢獻的。