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嵌入式硬件之热设计

发布：芯有灵犀
来源：A芯有灵犀
时间：2017-12-05 15:23
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1、嵌入式热失效

人热的时候会出汗，需要吹风扇和空调或者干脆洗个冷水澡达到降温的目的，从而防止身体过热引起的各种不适。那我们设计的嵌入式硬件如果发热严重会怎样呢?对，没错，就是会发生电路中某些线路或者元器件的损坏，一般大家都会说“XX烧了”，这其实也就是在设计过程中经常发生的热失效。

图1 热失效的电路板

2、热失效是怎么发生的

热失效大部分是有电流引起的，当短时间内电路板发生电流过载的时候，局部区域通过较大的电流。由于元器件或者线路本身就含有一定的阻抗R，因此我们通过计算公式可以算出当前的电功率。短时间内的电流过载会产生巨大的热量，热量如果不能够得到很好的散发就会产生超高的温度，从而烧毁元器件或者线路。当然，热失效也并不完全是由短路和电流过载造成的。在实际的嵌入式硬件设计中，由于一方面很难通过设计和选材实现导线线路的0阻抗，另外一方面，当在散热设计方面没有做足功课的话，也会使得工作环境的温度升高最终引起设备的热失效。

3、怎么解决嵌入式硬件热失效

歌词“天热扇扇子，智慧就是，这么简单”，设备的硬件发热了怎么办?总体来看也很简单。第一，加强本身的热承受能力，在设计的时候，选择耐高温的元器件和设备。第二，提升本身的散热能力，使本身产生的温度或者环境上升的温度能够及时的散掉。

那在实际的设计中需要如何考虑呢?在解决EMC问题的时候，从发射源、传播路径(辐射传播和传导传播)、敏感设备三个方面进行考虑。同样的，针对解决热失效的设计的时，我们也可以从这三个角度来解决问题。

(1)降低热源处热量的产生

对于解决设备本身热量的产生问题，降耗是最根本的解决方式。第一，设备的降额。什么是降额?如果是针对电子产品，那么降额主要是指电子元器件使用时，实际的温升、机械应力、功率等应低于器件的额定值。这样留一定的裕量，保证器件都工作在较可靠的状态。具体的降额标准，应参考相应行业标准或国家标准，是分降额等级的(具体的降额标准不做详述)。通过降额设计使得设备在更好的保持在可靠的工作状态，例如电阻的降额设计时重点考虑环境、功率和电压等因素，选择合适的降额等级确保电阻稳定的工作，防止因电阻失效引起的局部电流骤增的问题。再例如，在硬件工程师layout的时候，布线的降额选择，在空间允许的情况下适当选择较宽的走线可以使得导线本身电阻的降低，从而降低导线上热量的产生。第二，低功耗的设计。低功耗设计设计的方面很多，从宽的方面来看有硬件原理图各个模块方案的选择。细化来讲到元器件的选择，例如选择电阻时考虑片状电阻和绕线电阻;电容选择的时候考虑独石电容和钽电容;指示灯选择的时候考虑二极管和液晶屏。

图2 器件选择

(2)传播过程中的散热处理

嵌入式系统设备的散热方式有自然散热(常见的散热方式)、通过加装散热片的方式散热(应用于产热稍微较多的模块)、通过加装风扇的方式散热(计算机等设备)一些特殊环境会用到半导体制冷。当然，在一些大功率设备使用也会用到水冷变相冷却等方式。

图3 常见的散热方式

(3)保护敏感器件

针对敏感器件的保护，在EMC设计中面对该问题的时候，通常会通过隔离和接地来实现。在热设计的时候同样可以通过在layout的时候，增加敏感器件和热源器件的距离，降低敏感器件受到热环境因素的影响。对于一些精度要求较高且易受温度影响的元器件而言，上述的方法远不能解决温度造成的影响。这类元器件如放大器的电阻和电容，精密传感器所使用的压敏电阻等。因此针对这些问题需要进行相应温度的补偿(补偿方法有很多，例如硬件补偿和软件补偿等，此处不做赘述)。

4、总结

热设计作为嵌入式系统中一个重要的环节，在硬件方案选择、器件的选用、layout和硬件外部环境的设计中都起着很重要的作用，以上就是针对硬件设计中的热设计问题的一些分析和经验的参考，希望能对大家有所帮助。

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