高温系统设计的考虑因素

高温工作电路的设计人员必须考虑IC参数和无源器件在宽温度范围内的变化，特别关注其在极端温度下的特性，以确保电路能够在目标限制内工作。例如失调和输入偏置漂移、增益误差、温度系数、电压额定值、功耗、电路板泄露，以及其他分立器件（如ESD使用的器件和过压保护器件）的固有泄露。例如，在高源阻抗与某放大器输入端串联时，无用的漏电流（非放大器本身的偏置电流）会产生失调，进而引起偏置电流测量误差（图12）。

图12.偏置电流和漏电流如何产生失调误差

在所有情况下，高温工作都会加重由焊剂、灰尘和冷凝等污染引起的电路板泄露。合理的布局有助于最大程度地减少上述影响，具体做法是在敏感节点之间提供足够的空间，例如将放大器输入和含噪声的供电轨分离。

运算放大器和仪表放大器的标准引脚排列方法是将其中一个输入端放置在负电源端附近。这种做法会大大降低对PCB装配后焊剂残留的耐受能力，这些焊剂残留会增加泄露。为了减少泄露，增加高频CMRR，AD8229采用了与ADI公司其他精密仪表放大器相同的高性能引脚排列（图13）。

图13.器件引脚排列改进有助于将寄生泄露降至最低

二极管、瞬态电压抑制器(TVS)和其他半导体器件的泄露都会随着温度升高成指数递增，而且许多情况下都比放大器的输入偏置电流高出很多个数量级。在这些情况下，设计人员必须确保极端温度下的泄露不会降低电路规格，使其超出所需限制。

如今，有多种无源器件可供高温工作环境使用。电阻和电容在各种电路设计中十分常见。表1列出了市场上现有的一些器件。

Table 1. Examples of High-Temperature Resistors and Capacitors

电容	最高额定温度	注释
MLCC（陶瓷）C0G/NP0	200°C	低容值，低温度系数(TC)，提供SMT或通孔封装
MLCC（陶瓷）X7R	200°C	TC高于C0G/NP0，成本低
液体钽电解电容	200°C	高容值，大多数采用通孔封装
钽电解电容	175°C	高容值，提供SMT封装
电阻	最高额定温度	注释
线绕电阻	275°C	高浪涌能力，稳定
金属薄膜电阻	230°C	高精度
金属氧化物电阻	230°C	通用
厚膜电阻	275°C	通用，宽电阻范围
薄膜电阻	215°C	紧凑，低TC，高稳定性，提供电阻阵列
陶瓷复合电阻	220°C	碳素电阻在高温下的替代品

注意，表面贴装器件如果靠着PCB，引脚间就很容易产生泄露，因为焊剂残留在装配结束后还会留在电路板底部。这些焊剂残留会吸湿，从而增加高温时的传导率。此时，表面贴装器件中会出现寄生电阻（特性很难预测），可能会引起其他的电路误差。要解决这一问题，可以考虑选用尺寸较大的芯片、鸥翼引脚，或在特别敏感的电路区域采用通孔器件。最后，在装配过程结束前再增加一道有效的电路板清洗环节（通常采用超声或皂化剂），无用的残留几乎就能全部清除。

设计人员在设计恶劣环境下工作的系统时，必须谨记热管理要求。即使在用到高温专用器件时，也应考虑与其功耗相关的自热效应。例如，AD8229的保证工作温度高达210°C，相当于一个小输出电流负载。由驱动高负载或永久故障条件（如输出短路）造成的额外功耗会增加结温，使其超过器件的最大额定值，大大降低放大器的工作寿命。请务必遵循推荐的散热指南，并且注意电源调节器等邻近热源。

即使是高温电阻，70°C以上时额定功率也会降低。应特别注意目标工作温度时的电阻温度额定值，尤其是在功耗相当大的情况下。例如，假设额定值为200°C的电阻在190°C的环境温度下工作，如果其因功耗产生的自热为20°C，那么还是超过了额定值。

虽然许多无源器件可以承受高温，但其结构可能并不适合长期处于冲击振动和高温兼具的环境。此外，高温电阻和电容制造商也明确规定了其在给定温度下的工作寿命。使所有器件的工作寿命规格保持匹配对建立高度可靠的系统至关重要。最后，不要忘了，许多额定值达到高温的器件可能需要降低额定值，以保持长久工作。