仪表高温工作电路设计方法和器件选择

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在仪表高温工作电路的设计中，小编建议大家必须考虑IC参数和无源器件在宽温度范围内的变化，特别需要关注其在极端温度下的特性，以确保仪表高温电路能够在目标限制内工作。
例如失调和输入偏置漂移、增益误差、温度系数、电压额定值、功耗、电路板泄露，以及其他分立器件(如ESD使用的器件和过压保护器件)的固有泄露。再例如，在高源阻抗与某放大器输入端串联时，无用的漏电流(非放大器本身的偏置电流)会产生失调，进而引起偏置电流测量误差(图1)。

图1  偏置电流和漏电流如何产生失调误差
在所有情况下，高温工作都会加重由焊剂、灰尘和冷凝等污染引起的电路板泄露。合理的布局有助于最大程度地减少上述影响，具体做法是在敏感节点之间提供足够的空间，例如将放大器输入和含噪声的供电轨分离。
运算放大器和仪表放大器的标准引脚排列方法是将其中一个输入端放置在负电源端附近。这种做法会大大降低对PCB装配后焊剂残留的耐受能力，这些焊剂残留会增加泄露。为了减少泄露，增加高频CMRR，高温器件AD8229采用了与ADI其他精密仪表放大器相同的高性能引脚排列(图2)。

图2    器件引脚排列改进有助于将寄生泄露降至最低
二极管、瞬态电压抑制器(TVS)和其他半导体器件的泄露都会随着温度升高成指数递增，而且许多情况下都比放大器的输入偏置电流高出很多个数量级。在这些情况下，你必须确保极端温度下的泄露不会降低电路规格，使其超出所需限制。
如今，有多种无源器件可供高温工作环境使用。电阻和电容在各种电路设计中十分常见。表1列出了市场上现有的一些器件。
Examples of High-Temperature Resistors and Capacitors

表面贴装器件如果靠着PCB，引脚间就很容易产生泄露，因为焊剂残留在装配结束后还会留在电路板底部。这些焊剂残留会吸湿，从而增加高温时的传导率。此时，表面贴装器件中会出现寄生电阻(特性很难预测)，可能会引起其他的电路误差。要解决这一问题，可以考虑选用尺寸较大的芯片、鸥翼引脚，或在特别敏感的电路区域采用通孔器件。最后，在装配过程结束前再增加一道有效的电路板清洗环节(通常采用超声或皂化剂)，无用的残留几乎就能全部清除。
你在设计恶劣环境下工作的系统时，必须谨记热管理要求。即使在用到高温专用器件时，也应考虑与其功耗相关的自热效应。例如，AD8229的保证工作温度高达210℃，相当于一个小输出电流负载。由驱动高负载或永久故障条件（如输出短路）造成的额外功耗会增加结温，使其超过器件的最大额定值，大大降低放大器的工作寿命。请务必遵循推荐的散热指南，并且注意电源调节器等邻近热源。
即使是高温电阻，70°C以上时额定功率也会降低。应特别注意目标工作温度时的电阻温度额定值，尤其是在功耗相当大的情况下。例如，假设额定值为200°C的电阻在190°C的环境温度下工作，如果其因功耗产生的自热为20°C，那么还是超过了额定值。
虽然许多无源器件可以承受高温，但其结构可能并不适合长期处于冲击振动和高温兼具的环境。此外，高温电阻和电容制造商也明确规定了其在给定温度下的工作寿命。使所有器件的工作寿命规格保持匹配对建立高度可靠的系统至关重要。最后，不要忘了，许多额定值达到高温的器件可能需要降低额定值，以保持长久工作。
【案例研究】绘制烤箱中的热梯度
AD8229和ADXL206（双轴加速度计）在轻便安全的高温环境下工作，可作为高温应用中两种适当的器件进行演示。演示采用了一个小型电烤箱，带有一个旋转组件，上方装有高温PCB，且能够连续工作。烤箱中的加热元件位于顶部附近。这种设计会在烤箱内产生较大的温度梯度。旋转机制用于同时测量温度和位置的实验之中。
AD8229负责调理来自K型热电偶的信号，热电偶在烤箱内不断旋转。热电偶探针伸出PCB约6英寸，目的是为了更好地测量烤箱温度变化。同时，ADXL206负责测量旋转角度。三个信号(温度梯度、x轴加速度和y轴加速度)通过一个额定值达到高温工作条件的滑环(旋转连接器)来传送。滑环可以保持与非旋转线缆的连接，线缆连接至烤箱外的数据采集电路板。由于"冷结点"位于烤箱内部，可以采用附加热电偶为内部温度提供静态参考。AD8495热电偶放大器(也位于烤箱外)采用其集成冷结补偿来调理附加热电偶的信号。
烤箱内的电路板位于中心附近的旋转组件上，该位置的温度约为175°C。电路板结构采用聚酰亚胺材料。铜层上的走线采用0.020英寸的最小宽度，以改进铜与预浸材料的连接(图3)。器件采用标准HMP焊料(5/93.5/1.5锡/铅/银)连接，并采用特氟龙镀膜线连接电路板和滑环。

图3  安装器件的高温PCB
所有的精密器件都采用通孔安装。仪表放大器的增益通过一个25ppm/°C的金属薄膜电阻来设置。放大器在高增益下工作，因此，放大器到增益电阻的走线长度应尽可能短，以将铜电阻降至最低(4000ppm/°C TC)。热电偶和放大器的接口位于电路板中心，目的是在旋转时维持温度稳定。热电偶引脚应尽可能靠近，以消除结点上无用的热电动势效应。
高温钽电容和C0G/NP0电容可对电源进行去耦，并用作加速度计输出的滤波器。
计算机处理四个不同来源的数据：旋转角度(矩形x和y分量)、内部温度梯度和参考温度。综合上述各项测量结果即可绘制出温度梯度(图4)。分析结果显示，温度变化达到25°C。正如预期，最高温在烤箱后壁顶部旁边的加热元件附近。由于存在自然对流，烤箱顶部是烤箱内部第二热的区域。最低温在热电偶与加热元件位置相反时测得。

图4  高温演示图
该实验以简化形式表明，在恶劣环境下工作时，记录系统中集成的高温器件如何提取有价值信息。
许多(包括成熟与新兴)仪表应用都需要能够在极端高温环境下工作的器件。过去，由于缺少额定值能够在此类恶劣环境下工作的器件，设计性能可靠的仪表十分困难。而现在，能够在这些环境下工作的IC和支持器件都已出现，既节省了工程设计时间，又降低了失败风险。采用这种新技术并遵照高温设计方法，就能使高性能仪表在与之前可行环境相比更加极端的环境下可靠工作。