未来设计挑战 - 在工业应用中降低功耗和减少热事件

未来设计挑战

　　这些要求给设计人员带来了哪些挑战呢?首先，空间不变而通道密度增加将显著提高模块的环境温度。这不同于IC自热效应，但后者也很重要，设计时同样需要考虑。在某些情况下，高达100℃的系统环境温度并不罕见。这本身就对最高IC结温造成了挑战。通道密度增加也意味着元件数量增加，因此显然要求元件尺寸更小、静态电流更低且效率更高。而温度范围扩展也意味着还需要考虑温漂带来的误差，因而迫切需要低ppm基准电压源和低漂移转换器。从功耗的角度看，许多设计人员需要牺牲设计规格来满足功耗预算。这样虽然可行，但却会导致产品竞争力下降。

　　以工业过程控制应用中的简单流量计系统为例。在图2中，流量计通过一个4-20mA的过程变量等监控流速，同时通过一个类似的4-20mA信号控制定位器，从而驱动执行器阀门控制器，并最终控制系统内液体或气体的流速。定位器的4-20mA信号需要使用检测电阻端接，并最终馈送至ADC。这些检测电阻变化范围很大，从50Ω~1KΩ不等。由于需要支持如此广泛范围的负载，4-20mA系统的设计变得愈加复杂，尤其在如何处理正常模式(特别是故障条件)下的功耗问题。处理功耗问题有几种方式，一个简单办法是添加外部元件，如用于处理功率过大的升压晶体管。虽然此方法确实有助于降低半导体器件的功耗，实际上却并未降低模块本身的功耗。

　　

 

　　图2 4-20mA控制阀门执行器的定位器

　　可通过一个实际例子说明某些功耗系数。如上所述，这些4-20mA环路通过一个负载电阻端接，阻值可高达1KΩ。当将24mA驱动至1KΩ负载时，输出电压至少应为24 V，以提供足够的顺从电压。这并未包括驱动器件的任何裕量，甚至未考虑到电源调节。假设驱动器件具有2V裕量，则电源电压最低约为26V。为了说明这对内部芯片温度的影响，我们以AD5422器件为例。AD5422是单通道16位DAC，具有适合工业控制应用的可编程电流和电压输出范围。

　　假设电流输出(如0mA~24mA)驱动至短路或空载，则所有功率都在模块内损耗。这种情况下，仅负载总功耗就是26V的电源电压乘以24mA的满量程输出电流，约为624mW。由于IC器件会感受到所有这些功率，因此必须考虑芯片上消耗这些电能而产生的热效应。所以首要问题是如何限制器件自热，而要改善热保护，一个常用方法是在芯片底部添加裸露焊盘。

　　裸露焊盘技术

　　裸露焊盘可提供低热阻路径，从而便于PCB散热。这一阻性路径将带走器件的大部分热量，因此可以有效充当集成电路的散热器，如图3所示。

　　

 

　　图3 裸露焊盘及散热通孔影响

　　接合区本身是PCB元件侧上的铜层。接合区至少应和裸露焊盘一样大，当然也可以更大，具体取决于裸露焊盘至其他引脚接合区的自由空间范围。散热通孔将热量从热接合区引导至接地层，并通过PCB底部扩散至环境温度。多通孔可改善IC散热，同时改善接地电气连接。需要注意的一件事情是，设计中的通孔数量取决于具体应用的功耗和电气要求。但这里存在一个“效益递减”点，如本幻灯片右侧曲线图所示，达到此点后，增加散热通孔可能不会显著改善封装性能。以此处的LFCSP器件为例，显然如果将通孔从4个增加至16个，则可实现大约4℃/W的热阻改善。又例如，如果进一步将通孔从16个增加至32个，实际上仅能获得1℃/W的额外改善。

　　AD5422采用6×6 LFCSP封装，底部提供裸露焊盘。这种情况下，裸露焊盘应连接到器件的最低负基板以获得适当的热性能和电气性能，本例中是AVSS层。热阻抗值可以在数据手册上找到，此封装的额定值为28℃/W。这就明确决定了芯片上每消耗1W功率时内部芯片温度的升高程度。此数值需要加到系统环境温度中，以决定最大系统工作条件。

　　如果考虑到短路条件下的功耗约为0.6W，且此LFCSP封装在连接裸露焊盘后的热阻抗为28℃/W，则可计算出故障条件下芯片温度将增加16.8℃。当然，还需要考虑到因器件静态电流而带来的温度增加，如AVSS和AVDD电源电流。通过参考数据手册，可以计算出这些静态电流源的总功耗约为128mW，而这些功率本身可导致芯片温度升高约3.5℃。因此，采用26V电源供电时，如果将24mA驱动至短路负载，则将此3.5℃加上短路条件下的16.8℃可以得到，芯片温度总共会上升约20℃。

　　计算模块内的最大容许系统温度变得非常容易。用器件的最大结温(可直接从数据手册中获得)减去内部自热引起的下降即可。通过简单的算术可知，内部最大芯片温度为125℃。在此基础上减去20.3℃，即可得出系统或最大系统环境温度为104.7℃。大多数系统都可以在70℃~80℃的环境下工作，因此对于此处示例，设计人员就不用再担心什么。一个问题是，某些情况下系统中可能需要电压更高的电源，具体可能取决于产品所用于的应用类型。如果超过40V或45V，则片内功耗可增加至接近1W，不过只要遵循上述规则和指南并确保系统内的环境温度足够低，那么器件仍可正常工作。

　　如上所述，我们能够添加外部过流器件，使过多电流从外部到达器件，作用就好像传输晶体管，从而保证芯片上的功耗较低。当然，此晶体管必须能够承载适当的电流，而不给系统带来任何误差。虽然这肯定是改善IC器件的一种方法，但仍要求所有功率都在模块内损耗。如果考虑到模块尺寸越来越小，有时系统内的通道数量可能受限，或者需要减小要驱动的最大负载，以保持低功耗。