無源元件的溫度堅固性需要自己的角度

 對于有源和無源設備,熱沖擊的負面影響都可能與在擴展溫度下的穩態操作一樣有害。

確保系統的堅固性和長期可靠性需要解決多個挑戰。不利地影響長期性能的因素包括極端溫度,振動,機械應力,靜電放電(ESD),甚至是惡劣和腐蝕性的氣氛。

當然,幾乎每個電路工程師都熟悉溫度問題,這是需要解決的*一個問題。在大多數情況下,有電,有散熱,則有可能產生熱量和溫度升高。工程師必須應對這種不可避免的情況帶來的后果,因為這種情況經常被列為重要的設計約束。

設計人員關注的層次結構通常始于有源設備性能的變化。即使MOSFET或IGBT的溫度額定值足夠高,由于眾所周知的諸如漏電流之類的因素變化,器件參數也會發生巨大變化。因此,首先要確保組件不僅位于其安全操作區域(SOA)內,而且還具有所需的性能。在某些情況下,需要額外的溫度補償電路或使用具有補償溫度特性的組件,以將電路性能保持在范圍之內。

在使用有源器件之后,該檢查無源組件了。與半導體相比,與溫度相關的漂移往往不那么劇烈。由于貼片電阻(或電感或電容)的溫度系數,基本的RLC組件(電阻器,電感器和電容器)的規格發生了眾所周知的變化,比有源器件中發生的變化更容易評估。此外,用于無源器件的原材料具有相當高的溫度閾值,這使得它們的物理實現比半導體的挑戰更為艱巨。(當然,“濕式”電容器是另一回事,因為其基本化學性質受到不利影響。)

無源元件的溫度堅固性需要自己的角度

電阻器自己解決問題

在某些方面,由于電阻自身發熱,RLC三重奏中麻煩的組件是電阻器。這是其抗性功能的自我誘導和不可避免的結果。相反,電容器和電感器的任何自發熱都是由于它們的“缺陷”(電感器繞組的直流電阻或電容器的等效串聯電阻)引起的,而不是其主要作用。這意味著它們的主要熱源是環境的,而不是自感應的。

使用可以承受更高溫度的無源設備可能似乎不會引起與溫度相關的堅固性問題。但是,事實并非如此。仍然存在難以評估的熱沖擊問題,該問題會導致細微的裂縫和裂紋擴展。這些可能會出現在組件內部或其引線處,即存在材料間匹配或接合的任何位置。

將高溫,熱沖擊和振動的堅固性整合到諸如電阻器之類的“簡單”無源組件中需要進行復雜的設計和制造,如TT Electronics的WDBR系列使用鋼質基底所示。

熱沖擊的影響由于使用該組件的電路的開/關循環而大大加劇,這在汽車應用中很常見(車規電阻)。結果是由于材料的反復膨脹/收縮(特別是當它們具有不同的膨脹系數時)導致的熱誘導應力斷裂。這就是為什么不受這種循環影響的氣密玻璃陶瓷密封件的開發是1900年代初期重大材料進步的原因。

與單獨模擬較高溫度對有源或無源組件性能的影響不同,對熱沖擊的后果進行建模非常困難。這是因為它通常需要在各種測試方案下確定材料和組合的屬性。另外,循環會導致材料關鍵參數的長期性變化。

設計人員的選項跨度操作順序到BOM選擇

設計師可以使用哪些選項?在某些情況下,系統故意加電或未完*關閉,以限制熱沖擊。(顯然,這種方法效率低下,并且在嚴格的能源要求下通常不再允許。)例如,大功率真空管通常保持“溫暖”,而劇院聚光燈(在大多數情況下仍為白熾燈)被削減至約10-不使用時為滿功率的20%。

更好的選擇是使用更智能的電源控制器,該控制器緩慢打開(有時關閉)電源。實際上,現在大多數現場影院中使用的自動照明控件都經過編程,可以在腳本要求在提示點處完*照明之前緩慢打開燈。

另一種選擇是使用專門設計用于承受熱沖擊和振動的無源器件。例如,TT Electronics的WDBR系列電阻器(12至150Ω)的目標應用是混合動力和電動汽車中的電流檢測,動態制動以及充電/放電電流限制等應用。這些電阻器使用鋼而不是陶瓷作為基材,并在其上印刷并燒制了厚膜導體和電阻器圖案,并且整個電阻器均受到高溫上釉的保護。

盡管如此,事實仍然是,熱沖擊的影響是許多變量的函數。其中包括一些因素,包括標稱溫度,高溫/低溫偏移,熱質量,特定材料及其溫度系數,不同材料之間的配合或結合以及相關的振動量。

實際上,直到20世紀中葉飛機升空到更稀薄,更冷的空氣中之前,人們對環境溫度,熱沖擊和振動的相互影響了解得很少。金屬疲勞是1951年詹姆斯·斯圖爾特(James Stewart)和瑪琳·迪特里希(Marlene Dietrich)主演的戲劇性電影《天空中沒有高速公路》的主題,斯圖爾特飾演一位航空航天工程師,他發現了為什么這些新飛機墜毀。從那時起,我們在要求和滿足要求方面都走了很長一段路?,F在,有AEC-Q200,這是針對汽車應用的標準化“無源元件的壓力測試資格”。

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