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电子热设计

2018-11-04 22:35

成功的电路设计包括正确的热分析:在不同运行条件下会产生多少热量?是否会有组件超过额定值?通常,这个过程交由精通热分析的热/封装工程师负责。虽然在专业技术方面大有优势,但流程不连续却存在劣势,这可能会导致无法一次性获得成功。在本文中,作者将探讨集成的电子+热设计环境,它能够帮助电子工程师“一次通过正确性检查”。

 

IEEE 标准 1076.1 (VHDL-AMS)不仅支持模拟和数字电子硬件的建模,还支持热特性以及这些方面之间的交互,是形成集成系统观点的关键。下面几个例子说明了这种建模功能如何及时提供重要电热交互的可见性。免费在线仿真平台SystemVision Cloud中提供了这些例子。大家可以在该平台中打开这些电路的“实时图”。在这些图中,您可以查看其他信号和元器件参数值,或复制电路并作出修改,然后运行新的仿真,就可以立即看到修改后的结果。

 

线性稳压器温度探测器

 

 

第一个例子是“虚拟热校准”电路,当线性稳压器在预期用途内针对特定元件进行配置后,此电路可以帮助设计人员预测稳压器的温度。配置基于元器件制造商的产品说明所提供的信息。在SystemVision Cloud中,用户可以调整稳压器模型的参数,使之与特定元件编号的电气和热特性相匹配。这些参数包括输出电压、VDO、电流限制,以及结-壳、结-环境或散热器的热阻值。需要注意的是,稳压器模型的红色端子是“热”连接点,从内部散发出来的热量将通过这个点传到外部热网络。

 

这个例子针对L78S05中壳至环境的直接热传递进行建模(即没有散热器)。产品说明规定结-壳热阻值是5°C/W,针对T0-220封装的结-环境热阻是50°C/W。因此,假定45°C/W的差值是壳至环境的热阻值。在示例的电路中,这个值被指定为散热器热阻值。如果使用实际的散热器,则采用发布的热阻值。

 

如果提供了散热器的热容值,可以输入到仿真系统,这样不仅可以预测稳态工作温度,还可以预测输入电压和负载瞬态引起的温度响应。输入电压函数发生器可以运用任何时变输入电压曲线。可调整负载电流水平或使用定制动态负载模型。综合上述操作可以准确地表示预期的稳压器运行环境。

 

AC-DC电源适配器的热建模与电流升压稳压器

 

 

第二个例子是类似但更完整的线性稳压器电路。5V稳压器由120Vac/60Hz的输入驱动,使用变压器/整流器电路降至9V的DC线电压。所需的电流负载能力是5A,高于线性稳压器元器件本身的电流限制(1A)。电流差值由MJ2955 PNP旁路晶体管的负载分配功能提供。(注:该设计基于2014年11月修订版27《半导体产品说明 MC7800/D》中图11的应用电路)。

 

请注意,功耗电子模型(包括整流器二极管、线性稳压器、双极结晶体管(BJT)、电流传感电阻器,以及主变压器和次变压器的有效绕组电阻)有红色的“热”端子,该端子可将热传至外部热网络。外部热网络包括散热器的热容(0.1J/°C)、传至环境的热阻(1°C/W),以及产品说明发布的各个有源电子元器件的结-引线热阻。BJT热容采用假定的值(0.005J/°C)。该值并非由制造商提供,而是为实现快速的热时常数而选定的,仅用于仿真。

 

使用热电冷却器(TEC)的电子温度调节系统

 

 

第三个例子是一个完整的热控制系统,在不断变化的功耗条件下使用热电冷却器(TEC)将自热电子设备(如激光器)产生的热传递出去。NTC类热敏电阻器的电阻对温度极其敏感,用于Wheatstone电桥配置。电桥产生的差分电压被运算放大器电路放大。在有限范围内,运算放大器输出电压几乎与温度成正比,相位差为180度。

控制回路其余部分是使用理想的数学控制模块来建模的。这种抽象化使设计人员能够专注于稳压器的整体性能,评估瞬态运行期间的PID增益的选择。自热“激光器”的驱动电压是通过电热电阻器简单建模的,被逐步提高到几种运行水平(蓝色波形)。激光器的温度(红色波形)保持在25°C的设定值,在功率转换期间只有瞬间的干扰。

 

总结

在现实世界中,系统的电方面和热方面是相辅相成的。将电和热分开来分析时是否能妥善评估真实情况?热工程师是否按各个运行状态处理各个元器件的散热,还是假定所有元器件以满功率运行?电气工程师是否知道热工程师想要让电路的哪个部分保持冷却?明确说明启用某些部分时哪些部分会关闭是否对他们有所帮助?IEEE标准VHDL-AMS模型支持电热仿真,帮助弥合这些认识差距,防止生产硬件发生意外情况。

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