- 熱量管理是所有電路設計人員都關心的一個問題
- 理解熱量在系統各射頻/微波元件中是如何產生的
- 電容這樣的無源電路元件對散熱起作用
- 正確的熱量設計應從PCB級開始
- 選擇正確的材料有助于熱量管理
熱量管理是所有電路設計人員都關心的一個問題，特別是針對大信號時。在射頻/微波電路中，大信號常見于功率放大器和系統發送端元件。不管是連續波(CW)信號還是脈沖信號，如果產生的熱量得不到有效疏導，它們都將導致印制電路板(PCB)上和系統中的熱量積聚。對電子設備來說，發熱意味著工作壽命的縮短。
防止電路熱量積聚需要一定的想象力：可以想象成熱量從一個熱源(如功率晶體管)流向一個目的地(如散熱片或設備底座)。
理解熱量在系統各射頻/微波元件中是如何產生的也有助于熱量分析。例如，功率放大器發熱不是僅因其工作在大功率級，諸如放大器效率、放大器輸出端的阻抗匹配(VSWR)以及源自放大器輸出的熱路徑等因素都會影響放大器熱量的產生。盡管具有50%效率的功率放大器似乎已經很不錯，但這也會浪費掉系統供給它的一半能量，其中大部分以熱量的形式損失掉了。
除功率放大器外，像濾波器和功率分配器這樣的無源器件的插入損耗以及元件、同軸電纜和其它互連器件連接處的阻抗不匹配(高VSWR)也會導致“散熱障礙”。高效的熱管理需要了解熱量從源(例如放大器)流過所有連接電纜和其它元件再到散熱終點的熱量流動過程。
在電路層面，熱管理也是放大器自身的一個問題，因為熱量從放大器的有源器件向外流動——有些熱量通過電路板材料，有些進入周圍元件，有些流入電路板上下方周圍的空氣。理想情況下，可以提供一條讓熱量從有源器件正確地散發出來的路徑，因為這些器件周圍的熱量積聚也會縮短它們的工作壽命。此外，這些熱量可能對某些器件造成有害影響，比如在硅雙極型晶體管中溫度的不斷上升，即通常所說的“熱失控”。
在散熱不當的情況下，有些器件相比其它器件更易受到損壞。例如，GaAs半導體襯底的導熱率大約只有硅器件的三分之一。在高溫下，GaAs晶體管也可能遭受記憶效應的影響(也就是說即使溫度已經下降，器件仍可能工作在高溫時的特定增益狀態)，進而導致器件線性性能變差。
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熱量分析實質上是基于對器件或電路中使用的不同材料的研究，以及這些材料的熱阻或其對熱量流動的阻力。當然，反過來說就是材料的導熱率，這是衡量材料導熱能力的一個指標。熱材料(比如導熱膠和電路板材料)的數據手冊中一般都列有這一參數，參數值越高，代表這種材料處理大功率級和發熱量的能力就越高。
熱阻可以用溫度變化(該數值是作為所采用功率的函數)來描述，通常單位為℃/W。在為器件、電路板和系統建立熱量模型時，必須考慮所有熱效應的影響，這不僅包括器件的自發熱效應，還包括其對周邊器件的影響。由于這些交互作用的存在，熱建模一般是通過構建一個帶有全部發熱器件的熱矩陣來完成的。
在電路上，即使像電容這樣的無源電路元件也可能對散熱起作用。American Technical Ceramics公司的應用筆記《陶瓷電容中的ESR損耗(ESR Losses in Ceramic Capacitors)》就討論了不同類型電容可以安全散發多大的功率，依據的是這些電容的等效串聯電阻(ESR)額定值。該筆記還詳細介紹了具有高ESR值的電容會如何泄漏便攜式設備中電池的電能，進而導致電池壽命的縮短。另一個有用的參考是Hittite Microwave公司的應用筆記《表貼元件的熱量管理(Thermal Management for Surface Mount Components)》，它介紹了如何將表面貼裝元件包含進電路級熱量模型中。
當然，為了使系統能考慮到所有的熱量規劃，正確的熱量設計應從PCB級和選擇最適合特定電路設計中功率和熱量等級的PCB層壓材料開始。在選擇電路板層壓材料時，不應只是簡單地選擇具有最高導熱率的材料，還需要考慮在不同溫度下的電氣和機械穩定性。
例如，層壓板可由其在所有三個方向(長、寬、厚)上的熱膨脹系數(CTE)以及介電常數的熱系數來描述。第一個參數代表了材料隨溫度變化而膨脹或收縮的程度，而第二個參數表明了介電常數隨溫度的變化情況。第一個參數對可靠性有很大影響，而第二個參數可能引起介電常數在不同溫度下發生偏離，最終導致微帶電路中的阻抗發生變化(例如，這種變化可能改變帶通濾波器的中心頻率)。
由于很多系統(包括商業通信和戰術軍事系統)都需要具有高可靠性和穩定的電氣性能，電路板材料供應商近年來非常關注熱管理問題，開發出的材料不僅能夠處理類似功率放大器等電路中的較高功率級，而且在高溫下不會發生電氣性能改變。例如，Rogers Corporation公司最近發布的RT/duroid 6035HTC電路材料就是一種陶瓷填充PTFE復合材料，其導熱率高達1.44 W/m/K，是標準FR-4型電路板材料的好幾倍(見圖1)。這種材料整合了穩定的機械與電氣性能以及導熱性能，因此可作為高頻功率放大器的理想材料。
圖1：新開發的RT/duroid 6035HTC電路材料用來滿足設計人員對改善高溫性能的需求
[page]選擇正確的材料有助于熱量管理，但同樣要求做熱量分析。如果考慮到設計中每個有源器件的溫度，那么正確的熱量分析會非常耗時。為了幫助分析，安捷倫科技(Agilent Technologies)公司推出的先進設計系統(ADS)工具等商業軟件仿真工具近年來都進行了升級，針對熱建模專門增加了功能或軟件工具。例如，Computer Simulation Technology公司的EM Studio電磁(EM)軟件已被用于模擬雙模濾波器中的溫度分布情況，這套軟件使用該公司的CST Microwave Studio軟件工具首次計算了濾波器導電金屬中的電流密度分布。
Chart 1. Four different 3.5 Dk laminate materials were tested, and the RT/duroid 6035HTC most effectively
dissipated heat away from the resistor to enable the lowest temperature rise.Microwave Office軟件設計工具套件供應商AWR公司在今年初與CapeSym公司簽署了一份協議，成為CapeSym公司單片微波集成電路(MMIC)SYMMIC熱分析建模軟件的全球獨家零售商。
在專用熱量分析工具方面，Daat Research公司提供了許多易用的建模工具，可實現從器件級直至系統級的所有層面分析，其中包括Coolit軟件。對于那些對熱量建模比較陌生而又想做實驗的工程師，Freebyte提供了免費的熱量分析軟件，其中包括Harvard Thermal公司開發的TAS軟件演示版和ThermoAnalytics公司開發的WinTherm軟件演示版。
總結：
本文是對熱量管理的一種討論，并提出實際例子的解決方案。選擇正確的材料有助于熱量管理，但同樣要求做熱量分析。如果考慮到設計中每個有源器件的溫度，那么正確的熱量分析會非常耗時。為了使系統能考慮到所有的熱量規劃，正確的熱量設計應從PCB級和選擇最適合特定電路設計中功率和熱量等級的PCB層壓材料開始。本文也正是基于這些問題的討論和提出解決方案，并舉出相關的例子為讀者分析問題，并解決問題。
