電路工作溫度范圍是硬件設(shè)計工程師的基本常識，針對不同應(yīng)用領(lǐng)域，需要選擇適合不同環(huán)境溫度范圍的集成電路器件。例如，汽車應(yīng)用溫度范圍是-40ºC至+125ºC，如此寬泛的工作溫度范圍對于手機(jī)等消費電子來說完全不合時宜的性能浪費，過高的性能意味著更高的成本。而對于像航空工業(yè)、深井鉆探等極端應(yīng)用來說，高溫耐受性是必須考慮的設(shè)計因素，例如飛機(jī)發(fā)動機(jī)附近的環(huán)境溫度需要寬泛到–55°C至+200°C。

環(huán)境溫度帶來的挑戰(zhàn)，除了在電路設(shè)計中充分考慮溫度可靠性還需要兼顧電路系統(tǒng)的溫度監(jiān)測，實時確保溫度范圍在允許范圍內(nèi)，在出現(xiàn)極端溫度情況時有預(yù)警機(jī)制，環(huán)境溫度測量和PCB溫度測量就是其中兩個重要的步驟，如何準(zhǔn)確的實現(xiàn)環(huán)境溫度和PCB板上溫度的測量呢？

熱傳遞的三種機(jī)制

熱量的傳遞通常是從高溫物體到低溫物體。通過強(qiáng)制系統(tǒng)(如冰箱)進(jìn)行能量傳遞，熱量可以從冷的區(qū)域傳遞到熱的區(qū)域。熱傳遞可以通過三種基本方法實現(xiàn)：

圖1：熱傳遞的三種機(jī)制

傳導(dǎo)是PCB中最普遍的熱傳遞方法。從微觀角度看，傳導(dǎo)是指激烈、快速移動或振動的原子和分子與鄰近的原子和分子相互作用，將它們的一部分能量（熱量）傳遞給這些相鄰的原子。如果PCB的一端溫度較高，能量會向PCB溫度較低的一端傳遞。高速粒子碰撞低速粒子時，會與低速粒子發(fā)生凈能量傳遞。如果熱的物體與冷的物體之間導(dǎo)熱介質(zhì)(如銅)的面積增加，那么熱量傳遞會更快。同樣地，如果銅的面積減小，傳熱率也會減小。通過常識可以推斷，兩個物體距離越遠(yuǎn)，冷的物體變熱所需的時間就越長。

對流通常是液體和氣體熱傳遞的主要形式。此術(shù)語用于描述傳導(dǎo)與流體流動的組合效應(yīng)。流體中熱或冷成分的運(yùn)動，加上由傳導(dǎo)引起的熱傳遞，共同引起了對流中的熱量傳遞。此外，輻射傳遞也PCB熱傳遞的一個主要方式。輻射是唯一不需要任何介質(zhì)的熱傳遞形式，也是通過真空進(jìn)行熱傳遞的唯一方式。熱輻射是材料中的原子和分子運(yùn)動的直接結(jié)果。由于輻射量隨著溫度的升高而增加，這樣就會產(chǎn)生從較高溫度到較低溫度的凈能量傳遞。

在這些熱傳遞的模式中無疑傳導(dǎo)是最普遍最主要的模式——如果PCB的一-端溫度較高，能量會向PCB溫度較低的一端傳遞。高速粒子碰撞低速粒子時，會與低速粒子發(fā)生凈能量傳遞。銅是極好的導(dǎo)熱體，因此在很多PCB設(shè)計中用于熱源的散熱。銀和金剛石是僅有的兩個具有更好熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料。明白熱傳遞的模式后，對PCB溫度和系統(tǒng)環(huán)境溫度的測量就有基本設(shè)計準(zhǔn)則。

用于測量PCB溫度的正確電路布局設(shè)計

要實現(xiàn)對關(guān)鍵熱源溫度的真實有效測試，根據(jù)熱傳導(dǎo)的原理，溫度傳感器和熱源之間的熱阻最小，傳感器與熱源盡量靠近可以確保最實時、準(zhǔn)確反應(yīng)熱源溫度。此外，PCB熱量的60%至65%通過引腳傳遞到芯片熱傳感器。接地引腳連接到基板，因此，接地引腳與溫度傳感器和熱源之間的熱阻應(yīng)用盡量小。 

圖2.測量PCB溫度的正確布局

除此之外，溫度傳感器和熱源要共用同一個接地平面以及確保溫度傳感器所有的接地引腳都與熱源的接地平面相連也是重要的設(shè)計準(zhǔn)則。通常我們的設(shè)計都會使用集成電路溫度傳感器來測量PCB或者器件的溫度，最好使用圖2中所示的PCB布局方法。

系統(tǒng)環(huán)境溫度測量的正確PCB布局設(shè)計

很多時候我們并不需要測量PCB的溫度的，他們只想測量環(huán)境溫度。與上面的測量關(guān)鍵熱源的溫度不同，我們需要做到防止PCB上的熱源影響溫度傳感器對環(huán)境溫度的測量。。

圖3.測量環(huán)境溫度的正確布局

為此，需要注意防止主要熱源的散熱對溫度傳感器產(chǎn)生影響，以精確地監(jiān)測環(huán)境溫度，主要的設(shè)計要點包括：使用散列接地平面，減少接地平面的面積來增加熱阻，同時使用窄的接地連接來增加熱阻；溫度傳感器盡可能地遠(yuǎn)離熱源；為溫度傳感器提供單獨的接地平面，盡量減少與主接地平面的連接；主熱源下面使用實心接地平面，并露出綠色阻焊膜，這樣可使主熱源散熱的熱阻最低。

數(shù)字溫度傳感器和傳感器封裝考慮要點

無論是PCB熱源溫度測量還是系統(tǒng)環(huán)境溫度測量，當(dāng)前人們普遍利用集成溫度傳感器，以實現(xiàn)精確、線性、響應(yīng)速度快及使用方便的溫度測量，使用圖2和圖3所示的PCB布局方法可以有效實現(xiàn)更準(zhǔn)確的目標(biāo)溫度測量。

數(shù)字溫度傳感器更高的集成度，以及更精確和線性特性和快速響應(yīng)速度，通常還提供各種集成I2C、SPI和傳號空號接口，其中一些傳感器集成了DAC、ADC、基準(zhǔn)電壓源和限值警報寄存器，適合更復(fù)雜的溫度監(jiān)測設(shè)計應(yīng)用。ADI公司提供的ADT7301就是一款這樣的數(shù)字溫度監(jiān)控系統(tǒng)，內(nèi)置一個帶隙溫度傳感器和一個13位ADC，能夠以+0.03125°C的分辨率對溫度進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)字化。ADT7301配有一個靈活的串行接口，可以與大多數(shù)微控制器輕松接口。

值得注意的是，應(yīng)用溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，除了以上的PCB設(shè)計要點之外，還有其他一些需要注意的點，包括封裝熱阻、器件內(nèi)部功率損耗以及熱沖擊響應(yīng)等評估數(shù)據(jù)表明，封裝類型對熱時間常數(shù)值的影響很小，這說明大多數(shù)熱量通過封裝引腳流動。θ(結(jié)至空氣熱阻)和θ(結(jié)至外殼熱阻)對表面貼裝數(shù)字溫度傳感器的熱響應(yīng)的影響很小。一般來說，接地引腳與熱源的地平面能否有效接觸，遠(yuǎn)比封裝類型重要。

此外，芯片與熱源之間熱阻的降低會降低熱時間常數(shù)，提高芯片的熱響應(yīng)。熱時間常數(shù)是指溫度O變化到其最終值的63.2%所需要的時間。例如從25°C至125°C的熱沖擊通常情況下，ADT7301達(dá)到88.2°C需要2秒。以電流輸出溫度傳感器為例(例如，AD590、 AD592和TMP17)，TO-52、 TO-92、CQFP和SOIC封裝由于較低的θc + θ熱阻而具有較快的熱響應(yīng)（注意，這些器件沒有接地引腳）。LFCSP封裝在底部有一個金屬底座與芯片接地直接相連。將這個金屬底座與PCB的接地平面相連，可以使LFCSP獲得比大多數(shù)封裝更低的熱阻。

圖4. 常見的LFCSP封裝和TO-92封裝