射频设计中的发热问题应该如何解决

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上传日期: 2020-09-11

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标签:电子设备(382)pcb(11191)放大器(7631)

  对电子设备来说,发热意味着工作寿命的缩短。因此,热量管理成了所有电路设计人员都关心的一个问题,特别是针对大信号时。在射频/微波电路中,大信号常见于功率放大器和系统发送端元件。不管是连续波(CW)信号还是脉冲信号,如果产生的热量得不到有效疏导,它们都将导致印制电路板PCB)上和系统中的热量积聚。防止电路热量积聚需要一定的想象力:可以想象成热量从一个热源(如功率晶体管)流向一个目的地(如散热片或设备底座)。理解热量在系统各射频/微波元件中是如何产生的也有助于热量分析。例如,功率放大器发热不是仅因其工作在大功率级,诸如放大器效率、放大器输出端的阻抗匹配(VSWR)以及源自放大器输出的热路径等因素都会影响放大器热量的产生。尽管具有 50%效率的功率放大器似乎已经很不错,但这也会浪费掉系统供给它的一半能量,其中大部分以热量的形式损失掉了。除功率放大器外,像滤波器和功率分配器这样的无源器件的插入损耗以及元件、同轴电缆和其它互连器件连接处的阻抗不匹配 (高VSWR)也会导致“散热障碍”。高效的热管理需要了解热量从源(例如放大器)流过所有连接电缆和其它元件再到散热终点的热量流动过程。在电路层面,热管理也是放大器自身的一个问题,因为热量从放大器的有源器件向外流动--有些热量通过电路板材料,有些进入周围元件,有些流入电路板上下方周围的空气。理想情况下,可以提供一条让热量从有源器件正确地散发出来的路径,因为这些器件周围的热量积聚也会缩短它们的工作寿命。此外,这些热量可能对某些器件造成有害影响,比如在硅双极型晶体管中温度的不断上升,即通常所说的“热失控”。在散热不当的情况下,有些器件相比其它器件更易受到损坏。例如,GaAs半导体衬底的导热率大约只有硅器件的三分之一。在高温下,GaAs晶体管也可能遭受记忆效应的影响(也就是说即使温度已经下降,器件仍可能工作在高温时的特定增益状态),进而导致器件线性性能变差。热量分析实质上是基于对器件或电路中使用的不同材料的研究,以及这些材料的热阻或其对热量流动的阻力。当然,反过来说就是材料的导热率,这是衡量材料导热能力的一个指标。热材料(比如导热胶和电路板材料)的数据手册中一般都列有这一参数,参数值越高,代表这种材料处理大功率级和发热量的能力就越高。热阻可以用温度变化(该数值是作为所采用功率的函数)来描述,通常单位为℃/W.在为器件、电路板和系统建立热量模型时,必须考虑所有热效应的影响,这不仅包括器件的自发热效应,还包括其对周边器件的影响。由于这些交互作用的存在,热建模一般是通过构建一个带有全部发热器件的热矩阵来完成的。

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