PCB設計導致電壓基準產(chǎn)生熱滯現象？

2020-12-08

每當您需要在PCB布局中放置參考電壓時(shí)，它都必須對溫度波動(dòng)和外部噪聲具有超穩定性?；鶞孰妷涸吹钠茣?huì )產(chǎn)生較小的電壓誤差，這在某些精密測量系統以及精密穩壓器和高分辨率轉換器中是無(wú)法接受的。參考電壓電路有一個(gè)特定的量，該量定義了溫度循環(huán)如何影響參考電壓，這就是所謂的熱滯。

對于半導體部件，僅由于半導體器件的平面結構，不可避免地存在熱滯后現象。盡管不能完全防止熱滯現象，但是可以通過(guò)在將產(chǎn)品部署到最終環(huán)境之前進(jìn)行適當的PCB安裝和電氣測試來(lái)抑制它。這是導致熱滯現象的原因，以及在準備部署新解決方案時(shí)如何消除熱滯現象。

什么是熱滯回？

從技術(shù)上講，由于某些變量或系統參數（包括溫度和隨溫度變化的量）的變化，任何可物理測量的量在測量過(guò)程中都會(huì )顯示出滯后現象。通常用含防凍蛋白/糖蛋白的溶液中冰晶的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)的分離來(lái)討論熱滯，其中隨著(zhù)溶液溫度在極限值之間循環(huán)，凝固溫度和熔化溫度將略有變化。從概念上講，可以將熱磁滯與磁滯進(jìn)行比較，其中循環(huán)的磁場(chǎng)會(huì )留下一些剩余磁化強度。 

電路中的熱滯回

在電子產(chǎn)品中，熱滯現象用于描述參考電壓的精度。這些是精密電路和設備，用于為某些其他電路中的電壓測量提供穩定的比較。需要穩定參考電壓的一些電路和組件是：

模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）：這兩個(gè)電路使用參考電壓來(lái)設置量化值。

低壓差（LDO）調節器：基準電壓用作誤差放大器的一個(gè)輸入，以檢測調節器的輸出電壓何時(shí)下降得太低。然后，誤差放大器對MOSFET進(jìn)行調制，以將輸出電壓校正為所需值。

比較器：基準電壓源為比較器的高和低閾值及其自身的開(kāi)關(guān)滯后提供了基礎。這可以由電池，齊納二極管或硅帶隙基準源提供。

正式定義

熱滯現象的形式正式定義為在整個(gè)工作溫度范圍內器件循環(huán)之前和之后，環(huán)境溫度（+25°C）下輸出電壓的變化。電壓基準電路中的熱滯通常以ppm /°C為單位進(jìn)行測量。這是輸出參考電壓由于在間隔ΔT內的溫度循環(huán)而變化的量。實(shí)際上，當溫度在整個(gè)ΔT內循環(huán)時(shí)，這是參考電壓電路輸出電壓的永久變化。

如果器件在其低溫額定值和高溫額定值之間循環(huán)（例如，許多組件的溫度范圍為-40°C至125°C），則對于典型的帶隙基準電壓電路，輸出的總變化可達到?1 mV。正確安裝在PCB上的高精度電路在整個(gè)工作溫度范圍內的遲滯值可低至?105 ppm。注意，即使電路的溫度保持恒定，在這些電路中也會(huì )發(fā)生長(cháng)期漂移。

LDO穩壓器中使用的參考電壓中的熱滯示例測量。

什么引起熱滯后？

熱滯是由溫度循環(huán)過(guò)程中累積在半導體管芯上的機械應力產(chǎn)生的。應力分布以及如何從器件釋放應力取決于芯片先前是否處于較高或較低的溫度，以及器件中過(guò)去的應力歷史。由于熱膨脹和收縮，應力在模具上的不同位置累積并凝固。

一旦帶有參考電壓電路的設備脫離生產(chǎn)線(xiàn)，通常會(huì )在標準環(huán)境條件下進(jìn)行簡(jiǎn)短測試。接下來(lái)發(fā)生的事情可能會(huì )在半導體管芯上施加壓力，并導致參考電壓電路的輸出以下列方式發(fā)生變化：

包裝過(guò)程中的加熱和冷卻：將模具放置在包裝中時(shí)，將其裝入高溫的環(huán)氧包裝中。然后包裝冷卻并返回到環(huán)境溫度。在此過(guò)程中，應力將積聚在模具上。

組裝過(guò)程中的焊接：波峰焊需要將設備加熱到高溫并保持一段時(shí)間。冷卻后，模具中會(huì )積累一些應力。手工焊接不會(huì )將整個(gè)設備加熱到導致大量應力累積的程度。

工作期間發(fā)熱：當設備在PCB上工作時(shí)，溫度不可避免發(fā)生變化。熱量可能從板上的其他組件或外部環(huán)境流向參考電壓電路。

在容易產(chǎn)生熱滯的部件周?chē)胖们锌诓凼窃黾硬考路降幕宓膭偠鹊囊环N方法。另外，將設備放置在遠離PCB中心的位置。兩種方法均已通過(guò)實(shí)驗證明可減少應力積累和產(chǎn)生的熱滯后現象。

板邊緣提供了一個(gè)較硬的安裝表面，可防止由于熱滯而導致輸出電壓變化。

最后，為了減輕管芯中的應力并迫使參考電壓電路穩定到其長(cháng)期輸出，可以在組裝的PCB運行時(shí)重復循環(huán)該電路。這可能需要多個(gè)周期，但是一些組件制造商對參考電壓的測量顯示，在重復循環(huán)之后，磁滯窗口會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的流逝而減小。