專家教你解決射頻設(shè)計(jì)中的熱問題

熱量管理是所有電路設(shè)計(jì)人員都關(guān)心的一個(gè)問題，特別是針對大信號時(shí)。在射頻/微波電路中，大信號常見于功率放大器和系統(tǒng)發(fā)送端元件。不管是連續(xù)波(CW)信號還是脈沖信號，如果產(chǎn)生的熱量得不到有效疏導(dǎo)，它們都將導(dǎo)致印制電路板(PCB)上和系統(tǒng)中的熱量積聚。對電子設(shè)備來說，發(fā)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(gè)熱源(如功率晶體管)流向一個(gè)目的地(如散熱片或設(shè)備底座)。

理解熱量在系統(tǒng)各射頻/微波元件中是如何產(chǎn)生的也有助于熱量分析。例如，功率放大器發(fā)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(chǎn)生。盡管具有50%效率的功率放大器似乎已經(jīng)很不錯(cuò)，但這也會浪費(fèi)掉系統(tǒng)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(dǎo)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(diǎn)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(gè)問題，因?yàn)闊崃繌姆糯笃鞯挠性雌骷蛲饬鲃?mdash;—有些熱量通過電路板材料，有些進(jìn)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(fā)出來的路徑，因?yàn)檫@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(dāng)?shù)那闆r下，有些器件相比其它器件更易受到損壞。例如，GaAs半導(dǎo)體襯底的導(dǎo)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(yīng)的影響(也就是說即使溫度已經(jīng)下降，器件仍可能工作在高溫時(shí)的特定增益狀態(tài))，進(jìn)而導(dǎo)致器件線性性能變差。

熱量分析實(shí)質(zhì)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(dāng)然，反過來說就是材料的導(dǎo)熱率，這是衡量材料導(dǎo)熱能力的一個(gè)指標(biāo)。熱材料(比如導(dǎo)熱膠和電路板材料)的數(shù)據(jù)手冊中一般都列有這一參數(shù)，參數(shù)值越高，代表這種材料處理大功率級和發(fā)熱量的能力就越高。

熱阻可以用溫度變化(該數(shù)值是作為所采用功率的函數(shù))來描述，通常單位為℃/W。在為器件、電路板和系統(tǒng)建立熱量模型時(shí)，必須考慮所有熱效應(yīng)的影響，這不僅包括器件的自發(fā)熱效應(yīng)，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(gòu)建一個(gè)帶有全部發(fā)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(yīng)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(fā)多大的功率，依據(jù)的是這些電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)額定值。該筆記還詳細(xì)介紹了具有高ESR值的電容會如何泄漏便攜式設(shè)備中電池的電能，進(jìn)而導(dǎo)致電池壽命的縮短。另一個(gè)有用的參考是Hittite Microwave公司的應(yīng)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(jìn)電路級熱量模型中。

當(dāng)然，為了使系統(tǒng)能考慮到所有的熱量規(guī)劃，正確的熱量設(shè)計(jì)應(yīng)從PCB級和選擇最適合特定電路設(shè)計(jì)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(shí)，不應(yīng)只是簡單地選擇具有最高導(dǎo)熱率的材料，還需要考慮在不同溫度下的電氣和機(jī)械穩(wěn)定性。

例如，層壓板可由其在所有三個(gè)方向(長、寬、厚)上的熱膨脹系數(shù)(CTE)以及介電常數(shù)的熱系數(shù)來描述。第一個(gè)參數(shù)代表了材料隨溫度變化而膨脹或收縮的程度，而第二個(gè)參數(shù)表明了介電常數(shù)隨溫度的變化情況。第一個(gè)參數(shù)對可靠性有很大影響，而第二個(gè)參數(shù)可能引起介電常數(shù)在不同溫度下發(fā)生偏離，最終導(dǎo)致微帶電路中的阻抗發(fā)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(tǒng)(包括商業(yè)通信和戰(zhàn)術(shù)軍事系統(tǒng))都需要具有高可靠性和穩(wěn)定的電氣性能，電路板材料供應(yīng)商近年來非常關(guān)注熱管理問題，開發(fā)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(fā)生電氣性能改變。例如，Rogers Corporation公司最近發(fā)布的RT/duroid 6035HTC電路材料就是一種陶瓷填充PTFE復(fù)合材料，其導(dǎo)熱率高達(dá)1.44 W/m/K，是標(biāo)準(zhǔn)FR-4型電路板材料的好幾倍(見圖1)。這種材料整合了穩(wěn)定的機(jī)械與電氣性能以及導(dǎo)熱性能，因此可作為高頻功率放大器的理想材料。

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(shè)計(jì)中每個(gè)有源器件的溫度，那么正確的熱量分析會非常耗時(shí)。為了幫助分析，安捷倫科技(Agilent Technologies)公司推出的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)工具等商業(yè)軟件仿真工具近年來都進(jìn)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(jì)算了濾波器導(dǎo)電金屬中的電流密度分布。

dissipated heat away from the resistor to enable the lowest temperature rise.

Microwave Office軟件設(shè)計(jì)工具套件供應(yīng)商AWR公司在今年初與CapeSym公司簽署了一份協(xié)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(dú)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(shí)現(xiàn)從器件級直至系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)的工程師，F(xiàn)reebyte提供了免費(fèi)的熱量分析軟件，其中包括Harvard Thermal公司開發(fā)的TAS軟件演示版和ThermoAnalytics公司開發(fā)的WinTherm軟件演示版。

總結(jié)：

本文是對熱量管理的一種討論，并提出實(shí)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(shè)計(jì)中每個(gè)有源器件的溫度，那么正確的熱量分析會非常耗時(shí)。為了使系統(tǒng)能考慮到所有的熱量規(guī)劃，正確的熱量設(shè)計(jì)應(yīng)從PCB級和選擇最適合特定電路設(shè)計(jì)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(guān)的例子為讀者分析問題，并解決問題。