對于許多系統(tǒng)設(shè)計，有必要監(jiān)測高功率組件(處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、場效應(yīng)晶體管)以確保系統(tǒng)和用戶安全。溫度讀數(shù)的精確性非常重要，因為它使設(shè)計人員能夠在提高性能的同時保持在安全限制內(nèi)，或者通過避免在其他地方過度設(shè)計來降低系統(tǒng)成本。德州儀器 (TI) 的緊湊型高精度溫度傳感器產(chǎn)品系列可以更靠近這些關(guān)鍵組件放置，實現(xiàn)最精確的測量。

如何監(jiān)測電路板溫度

電路中的溫度問題會影響系統(tǒng)性能并損壞昂貴組件。通過測量印刷電路板 (PCB) 中存在熱點或高耗電集成電路(IC) 的區(qū)域的溫度，有助于識別熱問題，進而及時采取預(yù)防或糾正措施。

您可能希望監(jiān)測高耗電 IC(例如中央處理單元、專用 IC、現(xiàn)場可編程門陣列或數(shù)字信號處理器)的管芯溫度以動態(tài)調(diào)整其性能，或者可能希望監(jiān)測功率級周圍的熱區(qū)，以便控制系統(tǒng)中的風(fēng)扇速度或啟動安全系統(tǒng)關(guān)閉程序。最終目標是優(yōu)化性能并保護昂貴的設(shè)備。

從 PCB 到溫度傳感器的熱傳遞

本地溫度傳感器測量它們自己的管芯溫度以確定特定區(qū)域的溫度。因此，了解管芯與傳感器周圍物體或環(huán)境之間的主要溫度傳導(dǎo)路徑至關(guān)重要。主要通過兩種路徑導(dǎo)熱：通過連接到封裝的管芯連接焊盤 (DAP)或通過封裝引線引腳。DAP(如果存在)提供 PCB 和管芯之間最主要的導(dǎo)熱路徑。

帶有 DAP 的封裝

如果封裝類型不包含 DAP，則引線和引腳提供最主要的導(dǎo)熱路徑。

不帶 DAP 的封裝

模塑化合物提供額外的導(dǎo)熱路徑，但由于其低導(dǎo)熱性，通過模塑化合物本身進行的任何熱傳遞均比通過引線或DAP進行的熱傳遞更慢。

熱響應(yīng)

封裝類型決定了溫度傳感器對溫度變化的響應(yīng)速度。下圖顯示了用于溫度測量的不同類別的選定表面貼裝技術(shù)封裝類型的相對熱響應(yīng)速率。

不帶模塑化合物的封裝(芯片級封裝、管芯尺寸球柵陣列封裝)和帶有 DAP 的封裝(四方扁平無引線 [QFN] 封裝、雙邊扁平無引線 [DFN] 封裝)是專為需要從 PCB 快速進行熱傳遞的應(yīng)用而設(shè)計的，而不帶 DAP 的封裝是專為需要較慢響應(yīng)速率的應(yīng)用而設(shè)計的。快速的熱響應(yīng)速率使溫度傳感器能夠快速響應(yīng)任何溫度變化，從而提供準確的讀數(shù)。

設(shè)計準則 — 底部安裝

傳感器位置應(yīng)盡可能靠近要監(jiān)測的熱源。應(yīng)避免在發(fā)熱IC 和溫度傳感器之間的 PCB 上穿孔或切口，因為這可能會減慢或阻止熱響應(yīng)。如果可能，請將溫度監(jiān)測器安裝在PCB 底部直接位于熱源下方。

傳感器安裝在熱源的另一側(cè)

TI 建議使用過孔將熱量從 PCB 的一側(cè)快速傳遞到另一側(cè)，因為與 FR-4 相比，過孔具有更好的銅導(dǎo)熱性?？梢允褂帽M可能多的并行過孔或填充式傳導(dǎo)過孔，將熱量從熱源傳遞到溫度監(jiān)測器，以便在兩個 IC 之間實現(xiàn)快速熱平衡。帶有 DAP 的 QFN 或 DFN 封裝有助于進一步縮短過孔與傳感器管芯之間的熱阻路徑。

設(shè)計準則 — 地層注意事項

如果將溫度傳感器放置在熱源的另一側(cè)是不切實際或不劃算的做法，請將其放置在盡可能靠近熱源的同一側(cè)。

共用的地層有助于實現(xiàn)熱平衡

在熱源和溫度監(jiān)測器之間建立熱平衡的最有效方法是使用地層。應(yīng)使用從熱源延伸到溫度傳感器的堅固地層。

結(jié)論

在具有熱電區(qū)域或高耗電 IC 的 PCB 設(shè)計中，溫度監(jiān)測至關(guān)重要。必須評估本地溫度傳感器的選擇是否符合相關(guān)設(shè)計的系統(tǒng)要求和保護方案。

應(yīng)考慮傳感器位置和高導(dǎo)熱率路徑，以此在傳感器和發(fā)熱元件之間建立快速熱平衡。