热分析与热设计技术（中）
多数电子工程师都很熟悉用热阻作为一种热分析技术。热阻的表示单位是每瓦摄氏度。只需简单地乘以第一步估计的瓦数，就可以获得部件将增加的温度（摄氏度）。但这里需注意几个问题，要查看部件数据表上有关热阻规格的隐藏信息。从内核到外壳的热阻ΦJC 不是一个有用的测量值。半导体制造商的 IC 或封装设计者可能关心的是当热量从内核流至外壳时IC 的温升，但你需要更多的信息。你在数据表上经常看到的下一个规格是从节点到外界的热阻ΦJA。该值表示的是当部件未连散热片或未焊到 PCB（印制电路板）上时的温升。德州仪器的 Darvin Edwards 指出，ΦJA 对多数试图预测结温的工程师来说是没有用处的。他说：“有用的是从内核到电路板的热阻（ΦJB），以及从内核到封装表面的热阻（ΦJC）。我们用两个 JEDEC（联合电子设备工程委员会）标准电路板测量ΦJA，让工程师们看到它并不是一个封装常量。一个电路板是单面的，另一个是多层电路板。如果你有ΦJB 和ΦJC 规格，就有更好的机会来估计 IC 的真实温升。”他还指出，工程师们必须记住ΦJA 测量时电路板上没有其它芯片。当 IC 周围有电源和其它散发热量的芯片时，以及当电路板处于一个空间有限的无风扇塑料外壳中时，实际温升会高于ΦJA 测量给出的值（图 8）。还要记住，多数 IC 的塑料顶面都几乎不传送热量。环氧树脂塑料的热传导能力为 0.6W/mK ～ 1W/mK（米-开尔文），而铜的导热能力是 400W/mK。因此，铜的导热能力比塑料高400倍 ~600倍，重要的是PCB设计要实现热传导的最大化。
估算电路板散热还有更多的复杂方法。美国国家半导体的 Webench 在线设计工具采用 Flomerics 的 Flotherm 热分析软件，计算静止空气中的器件温度。所有一般的仿真注意事项均适用。如果你的电路有风扇和一些气流，其温升就较低。如果有机箱，里面还有其它器件，其温升就高。Flomerics 采用有限元方案技术.图 9 显示了一个计算机机壳发热与气流的分析结果。很多其它有限元解算器也可以分析这种问题。例如，Comsol 的一个解算器可以完成多重物理分析，可以解算超过一个问题的偏微分方程，如一只部件的热响应，部件的导热性能随其温度而变化。TI 的 Edwards 指出，他的公司提供二种级别的热建模抽象：ΦJB 热阻，以及 Delphi 紧凑模型标准。Flotherm、Icepak 和很多其它热分析程序都使用这些模型。
热分析中的最后一步是估计环境温度，这步十分重要。一辆采用风冷引擎的摩托车在驾驶时会遇到周围环境的某种温升。如果环境空气升高10℃，则气缸头温度也会上升。电子系统也一样。例如，实验室空气为25℃，工作台上的芯片工作在 50℃。当将这些芯片放到 50℃的环境温度下，芯片的温度将达到 75℃。在这个热分析步骤中，工程师们有时无法确定器件可能要运行的环境情况。除了简单的运行以外，这些部件还必须能存留下来。例如，汽车厂用于车身重新喷漆的烤炉会使所有电子设备暴露在高温下，超过汽车在使用寿命中遇到的温度。部件能耐过这种条件，因为汽车制造商在这个过程中不会给它们通电。很多工程师无法判断环境会达到何种极端境地。我们都知道，外层空间中的卫星温度可以低至只比绝对零度高几度，而当它们从太阳阴影中移出时则会达到摄氏几百度。
地球上也存在着挑战性的环境。美国尼桑公司测试开发工程师 Bruce Robinson 在亚利桑那州的汽车沙漠试验场工作。他说，尼桑一般估算的最高温度如下：白天环境温度 46℃，车内空气温度 81℃，仪表板表面最高温度 111℃，车内元件温度 82℃。换句话说，你可以在仪表板上烧开水。如果你设计车用电子设备，一定要考虑到这些。
无疑，当大多数工程师没有理解环境温度的嵌套程度时，他们就会失败。例如，假设要设计一个部件，用于 CD 播放机的光学拾取装置（图 10）。你可能会这么假设，由于该部件用于消费产品，它可能工作在 0℃ ~ 70℃。但好好想想吧。实验室工作台上的部件可能是工作在25℃环境下。而光功率件是要安装在 CD 驱动器里，驱动器中有其它元件在加热空气，该装置可能不装风扇。更糟糕的是，播放机装在计算机内，驱动器必须工作在这种环境温度下。计算机内部有自己的热源和风扇，这个温度上再加上外部环境温度，因此，在工作台上测得的25℃室温，到了计算机内就是40℃，CD驱动器内是50℃。现在，如果你把计算机放在厄瓜多尔的一个很热的阁楼上，情况又该如何？这个部件必须工作在远高于70℃的环境温度下。你的职责是确保它仍能满足规范，并且高温不会显著缩短产品的寿命。
现实情况
终于完成了设计估算和 Spice 仿真，但在开发过程中的某些时间内，还必须面临设计内容的现实性。现实性包括以正确的形式将电路原型化、安装和最后修整。然后，你可以动用各种测量技术，来验证迄今用到的所有美妙理论。重要的是尽可能近似地重现预期的工作环境。你应优先确定电路是否会被破坏，接下来电路是否会保持良好状态，最后，电路能否在所有条件下都如预期一样运行。
不良设计和安装的机载娱乐系统机载娱乐网络路连线的电弧引着了绝缘层上的可燃覆盖物，并快速蔓延到其它可燃材料。如果生产该系统的小型企业设计者坚持在乘客舱所处的 8000 英尺高度作测试，他们就会知道磁盘驱动头过于靠近母板，整个系统的热量都难以消除。TI 的 Edwards 指出，在1 万英尺高空，系统的对流冷却能力减少 20%。验证与现实相关的所有工程假设是保证设计能够实现电气性能和热性能的唯一方法。瑞士航空公司 111 航班机载系统的设计者忽略了这种实际检查，因而229名乘客失去了生命。
所有工程师都有两种重要的测量设备，即他们的触觉和嗅觉。大多数人都非常熟悉电子元件烧熔的刺鼻气味。有良好嗅觉能力的人甚至能闻到一只芯片接近70℃ 时发出的微妙气味。另外也可以在不含致命电压的电路中很好地使用触觉功能，如果能将手指在部件上放住5秒钟以上，则部件温度就低于70℃。多数人会过高地估计自己手指感受到的热量，通常，他们会把只有50℃的温度估计为70℃。如果你润湿手指，再擦过部件，而部件发出嘶嘶声，那么你就有麻烦了，因为任何部件温度高于100℃都是坏消息。同样，实验室工作台的环境温度是最有利的环境。
当你完成了粗略估计后，还必须做一些实际测量。多数 DVM（数字电压计）都有可以连接热电偶的配件。Fluke 和其它供应商制造的手持仪器可以用到两只热电偶，用于测量芯片温度及其周围的环境温度。你应该测量 IC 的温度比环境温度升高的量。National Instruments、IO Tech 和很多其它数据采集设备制造商都可以帮助你用几百种热电偶、热敏电阻和铂 RTD（电阻温度探测器）传感器建立测量系统。对于传感器的尺寸和线缆的规格要特别小心。当测量一只小型 IC 时，热电偶的导线也会传导热量，就像散热器一样，这种传导降低了测得的温度。很多制造商还提供非接触式 IR（红外）探测器，但当使用这些设备时，应注意你所测量表面的发射率。“发射率”是一个表面热辐射的一种量度，即一个物体辐射出的能量与一个“黑体”（或热黑体表面）辐射热量之比。一个黑体是一个完美的热能辐射器，它辐射出所有吸收的能量，发射率为 1。作为比较，发射率为 0 的材料将是一种完美的热反射镜。一个光亮的金属外壳有低的发射率，因此产生低于实际温度的读数。经平滑处理黑漆表面的发射率为 1，这就是 IR 探测器测得的值。如要让电子设备实现 1 的发射率，可以用经过平滑处理的黑漆喷涂表面，或在金属外壳上放一块透明带，使发射率值接近于 1。