前言

工業(yè)應(yīng)用中的電子控制與傳感組件能在制造、加工與生產(chǎn)的眾多方面提供支持或?qū)崿F(xiàn)顯著的性能提升。但是，電子設(shè)備必須能夠承受生產(chǎn)鋼材、石油產(chǎn)品與化工品等惡劣環(huán)境或是具有極端高溫、多灰塵以及潮濕的礦山環(huán)境。在設(shè)計必須承受這些狀況（有可能存在極強的電場與磁場）的所有系統(tǒng)時一定要慎重考慮這些因素。只要能夠考慮到這些條件并且設(shè)計能夠適應(yīng)最差工況，那么這些系統(tǒng)無論安裝在何處都能夠正常運行。為了實現(xiàn)能適用于工業(yè)應(yīng)用的可行性解決方法，本文對主機設(shè)計障礙進行了探討，同時還介紹了適用于最嚴酷條件設(shè)計方案。

可靠性至關(guān)重要

在我們這個普通電話和低成本消費類電子產(chǎn)品無處不在的現(xiàn)代化世界，工程師為什么會為工廠中的周期性現(xiàn)場故障而焦慮呢？實際上，這既不牽涉到相關(guān)電子產(chǎn)品的費用也甚至可能不涉及系統(tǒng)維修的費用，相反，它很可能是有關(guān)安全或工廠生產(chǎn)力喪失的問題，其可讓后者成本相形見拙。大規(guī)模制造廠的建造費用可能高達數(shù)10億美元，而運營費用也會達到數(shù)百萬。一些系統(tǒng)故障導致的單次停機事件就有可能耗費數(shù)天才能重新啟動，而這有可能每天造成數(shù)十萬美元、乃至高達數(shù)百邁美元的收入損失。另外，只要發(fā)生危及生命的故障，那么造成的傷害讓人難以想象。換言之，決不能讓這些設(shè)施發(fā)生故障。

通常需要將電子控件安裝到在正常運行期間人員無法進出的區(qū)域，例如熔爐附近或大件設(shè)備的后面。這就意味著在對該控制系統(tǒng)進程操作時，應(yīng)關(guān)閉生產(chǎn)區(qū)，禁止有人進入。安裝工業(yè)系統(tǒng)時的期望是能夠運行很多年（有時是指設(shè)施的終身壽命）而不會發(fā)生故障或者無需維護。這才是工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的真正挑戰(zhàn)。

熱管理挑戰(zhàn)

熱量是電子產(chǎn)品晶體管與其它組件運行時產(chǎn)品的副產(chǎn)品。其必須得到良好管理，否則溫度升高會降低設(shè)備性能或造成器件損壞。要理解個中原由，只需簡單了解一下半導體的制造方式就能對問題清晰明了。

集成電路（IC）制造采用擴散、退火等熱處理工藝使原材料附著到結(jié)構(gòu)周圍和進入其內(nèi)部。材料的原子在上述過程中遷移或形成晶體結(jié)構(gòu)，這在相當高的溫度（1200℃或更高）下才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。不過，除非IC保護絕對零度（0°K或-273.15℃），否則熱運動會繼續(xù)導致擴散，但比制造過程速度慢得多。

用于生產(chǎn)IC的硅的奇妙之處在于其與電阻及溫度具有非線性關(guān)系。在室溫條件上下硅的電阻隨IC工作溫度升高而相應(yīng)升高。但是，當溫度升高到一定程度（高于建議阻值），則其電阻開始下降，從而造成潛在正反饋情況。此外，IC內(nèi)部的各種其它系統(tǒng)原因也丟造成這種情況，有可能導致熱失控狀況。隨著更高電流渡過，路徑的電阻會由于加熱而降低，最終熱損傷會損壞IC。

許多電源IC和穩(wěn)壓器采用輸出級過熱關(guān)斷方法來防止熱失控狀況永久性地損壞IC。但是，這仍然是一種故障狀況，因此系統(tǒng)會停止繼續(xù)運行。即使IC永遠達不到過熱關(guān)斷狀態(tài)，但是高溫會降低長期可靠性，進而導致過早損壞。使用IC時必須遵守產(chǎn)品說明書的建議工況，以便封裝內(nèi)部的IC裸片溫度保持在安全值范圍內(nèi)。

為了管理設(shè)備的工作溫度，制造商通常使用風扇來增強流經(jīng)發(fā)熱組件的氣流。但是，風扇人盡皆知的特點是不具備長期可靠性。另外，工業(yè)設(shè)備通常與環(huán)境隔離，這會妨礙外部空氣對其進行冷卻。熱量必須通過散熱路徑從IC引到溫度更低之處。

首先從裸片這一熱源開始，必須使用IC產(chǎn)品說明書指定的熱阻來根據(jù)器件的散熱速率計算熱力上升。熱阻抗單位為℃/W,是IC功耗和熱量傳輸路徑長度。例如，從結(jié)點（裸片）到IC外殼的熱阻稱為θ結(jié)點到外殼熱阻（θJC）。

這些值極其重要。例如，如果采用無限制銅面作為散熱片，SOT-223 封裝中 LM340 等小型線性穩(wěn)壓器的結(jié)點到環(huán)境空氣熱阻 (θJA)大約為 50?C/W。如果輸入電壓為 5V，輸出電壓為 1.8V（通用CMOS內(nèi)核電壓），負載為 1A，則穩(wěn)壓器的功耗為 3.2W。這就意味著，即使是采用 PCB 上的一大片表面作為散熱片并且環(huán)境空氣溫度為 20?C，裸片溫度仍然會升高到 160?C。其遠遠超過器件的正常工作溫度，有可能造成過熱關(guān)斷或隨時間的推移逐漸損壞。在本例中，除非外殼直接連接（除銅外）的更低熱阻，否則沒有其它方法可以為裸片散熱。熱量無法通過 PCB 銅制材料以足夠快的速度排出，因此以上述功率電平無法防止 IC內(nèi)部溫度升高。此處的解決方案是采用更高效的方法將5V 轉(zhuǎn)換為 1.8V，如LMZ10501納米模塊開關(guān)穩(wěn)壓器）。另一種選擇方案是采用熱阻抗低得多的封裝，但這不可避免地會占用更多 PCB 表面積。

與其電氣同類一樣，要計算溫升，可連續(xù)累加熱阻。例如，TRise= PDissipated × (θJC+ θCA ,其中θJC 為結(jié)點到外殼熱阻、θCA為外殼到環(huán)境熱阻，而θAE則為環(huán)境到外界或到設(shè)備所處大環(huán)境的熱阻。選用超低熱阻的封裝有助于器件散熱。另外，在外殼增加鋁制散熱片或熱管有助于提供熱阻更低的至空氣路徑。這樣就能降低工作溫度，從而顯著提高長期可靠性。

電磁設(shè)計的考慮事項

管理封閉在氣密箱體中的設(shè)備的熱量并非是唯一的問題。現(xiàn)在我們來看一看設(shè)備的電磁 (EM) 環(huán)境以及電磁干擾 (EMI)。許多工程師都把 EMI 敏感性看成是由照明或其它電壓過載條件導致的破壞，這種觀點本來沒什么問題。但是，這并非是極端電磁場的唯一引起故障的機制。

減輕靜電破壞是設(shè)計人員必須解決的實際問題。如果線纜（包括電源）進入底板，就會在設(shè)備中出現(xiàn)高電壓，無論是否是正常工況均如此。電源通常設(shè)計有防止出現(xiàn)電壓峰值的內(nèi)在保護。輸入級可能還配備用于鉗制輸入的高速電壓監(jiān)控器，以防出現(xiàn)與過壓相關(guān)的損壞。但是，當設(shè)備是通過電線網(wǎng)絡(luò)連接，這些連接就會提供一種借助電線的電容儲存電荷的方法。在傳感器模塊（帶有源電子器件）和控制器之間配備電線度達上千英尺的情況并不罕見。

自然界存在能夠毀壞設(shè)備的現(xiàn)象，如直接雷擊。但是，還存在另一種稱為交叉沖擊 (cross striking) 的更微妙效應(yīng)。當帶有大量電荷的雷暴云砧緩慢飄過長距離布線網(wǎng)絡(luò)并且在線纜中感應(yīng)出相反電荷時就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象（圖 1）。

圖1 帶相反電荷的云飄過時出現(xiàn)的交叉沖擊情況

一般情況下，感應(yīng)電荷被云層中的電荷固定在其位置中。但是，如果另一片帶有相反電荷的云朵在附近飄過，就有可能引起兩朵云之間網(wǎng)絡(luò)上空的靜電放電（閃電）。

圖2 交叉沖擊事件可能造成終端設(shè)備損壞

當正上空云朵中的電荷消散后，電線中的感應(yīng)電荷也必須消散。由于電荷從電線中快速消失，因此在線纜兩端會出現(xiàn)極其高的電壓。如果不受控制，此類電壓有可能破壞位于電線兩端的所有設(shè)備（圖 2）。為了降低這種破壞，需在終端設(shè)備的線纜終端配備電弧管或火花隙以及靜電放電(ESD)保護二極管，從而提供將電荷引入大地的路徑。否則，該路徑會經(jīng)過線纜驅(qū)動器或收發(fā)器，其很難幸免于難。如前所訴，其它類型的 EMI 不會直接損壞 IC。相反，其會導致 IC 轉(zhuǎn)移其工作點；或者導致偏移指定限制。許多制造廠現(xiàn)在紛紛在其制造工藝中采用微波加熱器或其它射頻源。這些大型 RF 場能在 IC 中的各種寄生二極管和有源組件中產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果在設(shè)計IC 時缺乏處理這些場的措施，那么內(nèi)部偏置點就有可能轉(zhuǎn)移，從而改變電路的工作點。

可以在眾多對講電話中觀察到一種常見的非工業(yè) EMI問題。放大器通常容易受到手機等 RF 源的影響。在使用對講電話通話時，若手機也在附近，則經(jīng)常會在通話時聽到嗡嗡聲。蜂窩發(fā)射器產(chǎn)生的 RF 能量以寄生方式解調(diào)進入放大器鏈，從而可以通過揚聲器發(fā)出可聽到的聲音。

但是，在工業(yè)控制應(yīng)用中，這種現(xiàn)象要嚴重得多。其經(jīng)常構(gòu)成高精度測量中的偏移。其可能造成幾度的溫度感測誤差或者遠程傳感器的其它測量誤差。很多工藝都必須要求極其苛刻的容差。任何偏差都有可能造成生產(chǎn)工藝的災(zāi)難性失敗，或者起碼會造成質(zhì)量不達標。為了解決這個問題，設(shè)計人員需要采用抗 RF (RF-hardened) 組件（切勿與抗輻射(radiation-hardened)IC混淆）。

結(jié)論

對電子系統(tǒng)來說，工業(yè)環(huán)境是極其嚴酷苛刻的。設(shè)計人員必須兼顧考慮到高溫以及其它損壞與干擾源。這些重任目前大部分由 IC 自身承擔，因為它們具有處理極端條件的能力。但是，歸根結(jié)底，能否最終實現(xiàn)連續(xù)多年無故障運行的系統(tǒng)，關(guān)鍵在于設(shè)計人員的決策。

審核編輯：劉清