流量變送器耐高溫對策
發布時間：2017-11-22
引言
流量變送器在工業現場運行時往往面臨各種高溫條件的考驗，如高溫的生產車間、烈日直射的野外環境等都對變送器提出了耐高溫性能的要求。因此，流量變送器在出廠之前必須通過 45 ～60 ℃的高溫試驗[1]。
有的廠家使用的數字信號處理芯片( DSP) ，在提高變送器性能的同時增加了系統工作電流和功耗，使得變送器整體溫度升高。當這種變送器用于天然氣、石油等化工場合時，為滿足防爆隔爆的要求，其外殼必須封閉[2]，從而導致變送器系統內部熱量無法排出，殼內的核心器件可能會受到本身溫升或其他熱源的影響而無法工作。在此，結合實際應用中所遇到的高溫問題，以數字式科里奧利質量流量變送器為研究對象，分析造成核心芯片死機的原因，并通過大量的溫度試驗，提出了保證流量變送器在高溫下正常運行的措施。
1 高溫影響分析
1. 1 死機原因
基于 DSP 的數字式科氏質量流量變送器系統主要由電源轉換模塊、DSP 最小系統、輸入調理與采集電路、輸出電路和人機接口五個部分組成[3]。系統調試完成以后，裝在具有隔爆功能的表殼中進行溫度試驗，高溫試驗的溫度要求為 55 ℃。
試驗使用DGG-9053AD 烘箱，烘箱溫度可調節范圍為 10 ～ 200 ℃，誤差為 ± 1 K。試驗時，從變送器內部引出適當的信號至箱體外，并用示波器觀察，以確定變送器當前的運行狀態。采用精度為1. 5% 的三線制 Pt100 熱電阻置于 DSP 表面測量其表面溫度，并采用導熱良好的硅脂粘連。Pt100 的三根線也引出箱體，外部采用恒流源溫度補償電路對 Pt100的導線電阻進行補償[4]。
試驗結果表明，當溫度高于 50 ℃ 時，出現了 DSP死機的情況。經過分析，造成 DSP 死機的原因可能有如下兩種情況。
① 系統中其他集成芯片可能由于受到高溫影響而工作異常，產生錯誤復位信號或中斷信號，導致 DSP出現死機[5]。而本系統中沒有使用到外部中斷，因此，只需考慮復位信號。實際試驗發現，當 DSP 死機時，復位芯片仍能正常運行，不會產生有效的造成 DSP 死機的復位信號，所以排除這種情況。
② 高溫可能使 DSP 芯片本身結溫過高，造成內部集成電路工作狀態異常而死機。實際造成 DSP 本身溫度過高的原因很多，其作用效果往往又是疊加的，主要原因為: 實際應用環境溫度過高; DSP 本身高速運行時功耗很大; 實際硬件系統中其他熱源的影響; 封閉表殼內部無法通風，產生較大的溫升等。變送器表殼封閉試驗結果如表 1 所示。常溫下，防爆封閉表殼會造成 DSP 10 K 左右的溫升; 而當環境溫度達到 55 ℃時，DSP 表面溫度會逼近其正常運行的溫度上限 85 ℃ ，此時可能會造成 DSP 死機。
由上述分析可知，原因①的影響基本排除，只需考慮原因②。但由于應用場合的限制，隔爆表殼以及高溫環境兩種因素的影響無法回避，因此，只能通過分析DSP 本身的運行和系統其他熱源來降低系統損耗，改善系統高溫運行條件。
1. 2 系統熱源分析
系統熱源主要是實際運行時功耗較大、能量主要以熱量形式釋放的器件。熱源通過熱傳導可將熱量傳向系統的其他部分和周圍環境中。某些核心器件可能由于受到高溫熱源的影響而無法正常工作，因此，尋找系統的熱源是解決溫度問題的關鍵。
科氏質量流量變送器整個硬件系統可分為數字部分和模擬部分，并相應地制作了 PCB 數字板和模擬板。系統中，高速運行的 DSP 在正常工作時內核電壓1. 8 V 上消耗電流約為 200 mA，而 3. 3 V 上消耗電流約為60 mA，整個 DSP 功耗約為1. 8 ×200 +3. 3 ×60 =558 mW。
電源轉換模塊如圖 1 所示，其轉換效率直接影響整個系統功耗的大小。
對于低壓差線性穩壓器( low dropout regulator，LDO) 而言，其輸入輸出電流幾乎相等，功耗約為加在器件兩端的差壓與電流的乘積[6]。以 DSP 的電源芯片雙通道 LDO4為例，輸入 5 V 轉化為 3. 3 V 和1. 8 V，差壓分別為 1. 7 V 和 3. 2 V，LDO4本身功耗約為( 5 -3. 3) × 60 + ( 5 - 1. 8) × 200 = 742 mW。雖然其他電源轉換器件有的功耗也較大，但都和 DSP 分板布局，對DSP 的影響較小。因此，本系統主要考慮的熱源是DSP 本身和其電源芯片 LDO4。
1. 3 熱傳導路徑分析
確定整個系統熱源之后，還需找出這些熱源的熱傳導路徑，分析這些熱源對于整個系統性能的影響。目前的電路板基本上采用的是 PCB 印刷電路板設計，所以在分析熱傳導路徑時，需要考慮 PCB 板本身的熱傳導性能。
對于器件本身而言，熱傳導與它們的封裝大小、封裝類型和安裝方式有關。隨著大規模集成電路的飛速發展，現在許多器件的封裝尺寸越來越小，且設計大量采用貼片封裝的形式。器件的功耗以主要熱能形式釋放到周圍環境中; 而表征熱傳遞性能好壞的是器件與外部環境之間的熱電阻的大小，其值越小，表明功耗引起的溫升也就越小，散熱越好[7]。不同封裝形式的熱電阻也是不相同的。
在本系統中，若 DSP 采用 176 腳的 PGF 封裝，則根據數據手冊，θJA為內部結與外部環境之間的熱電阻，約為 44 ℃ /W，θJC為內部結與器件表殼之間的熱電阻，約為 8. 2 ℃ /W( J、A、C 分別表示器件 PN 結、外部環境、器件表殼，θ 表示熱電阻) 。
按照上述分析可知，DSP 的功耗約為 0. 558 W，其內部結溫與環境溫度之差約為 44 ℃ /W × 0. 558 W =25 ℃ ，器件表面溫度與內部結溫之差約為 8. 2 ℃ / W ×0. 558 W = 4. 6 ℃ 。
由于內部結溫在實際應用中無法測量，只能根據實際功耗大致估計，同時，實際 DSP 功耗在不同條件以及環境下相差很大，也是無法精確計算的。因此，可以通過直接測量 DSP 表面的溫度來間接地表征器件實際的內部溫度。實際內部結溫與器件表面溫度相差很小，約為 5 K。
對于功耗較大的器件，上述熱傳導是明顯不足的。大功率器件封裝通常在內部都有一個面積較大的銅散熱片，芯片的基片與散熱片相連，底部暴露在外面。當散熱片面與 PCB 的散熱焊盤直接相連時，散熱焊盤能將散熱片熱量一部分釋放到周圍的環境中，而另一部分傳遞給與之接觸良好的 PCB。通常，芯片使用導熱性能良好的硅膠，以保證散熱片與散熱焊盤之間接觸的充分性。
對于 PCB 板的熱傳導而言，其熱量來源主要來自于兩個部分: 一部分是與之接觸良好的熱源器件; 另一部分是 PCB 電路本身，主要是銅導電層線路的損耗。目前廣泛應用的 PCB 板材是覆銅/環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材[8]。
這些基材雖然具有優良的電氣性能和加工性能，但由于板材中的樹脂導熱性差，使得 PCB 板向周圍環境散熱的能力也很差。考慮到 PCB 中銅箔是熱的良導體，系統的地平面或電源平面大都是整體覆銅，對于有的器件封裝來說，其散熱焊盤與這些覆銅平面直接相連，有利于器件的熱量快速轉移。同時，大面積的覆銅可以通過大量過孔，將 PCB 的大量熱量向周圍環境中釋放。
2 解決方案
在確定系統熱源以及熱傳導路徑后，可采取以下幾種措施改善系統的溫度條件，并相應進行高溫試驗，檢驗散熱的效果。
2. 1 器件選型與使用
對于一般的集成器件來說，內部結溫決定了器件工作時的溫度條件，一般來說不能超過 150 ℃。對于具有高速處理能力的 DSP 而言，不同廠家不同型號的DSP 由于內部集成電路結構的不同，他們的溫度特性也不相同。如前所述，同一型號的 DSP，不同的 PCB封裝，其熱電阻不同，散熱性能就存在差異。此外，DSP 內部軟件的工作方式也會影響本身的功耗。因此，需要綜合考慮多方面影響，保證 DSP 的實際功耗最低。
首先，選擇高溫性能較好的DSP。如對于TMS320F28334PGFA、TMS320F28335PGFA 兩款 TI 的DSP 來說，雖然其溫度等級相同，但由于內部電路結構存在差異，溫度特性就可能不同。
試驗表明，在相同條件下，TMS320F28335PGFA 的溫度特性較差，即當溫箱溫度達到 55 ℃ 時，會出現死機現象; 而 TMS320F28334PGFA 卻能夠高溫長時間運行，滿足設計的要求。試驗數據如表 2 所示。
其次，合理使用 DSP，降低 DSP 的本身功耗。
① 軟件設置
關閉 DSP 內部沒有用到的外設模塊和沒有訪問到的存儲器，使其處于低功耗模式或睡眠模式，以減少功耗。若 DSP 本身功耗過高，可以通過設置工作頻率使其降頻運行，這將大大降低 DSP 的功耗，但同時犧牲了軟件的實時性。由于科氏流量計對軟件實時性有一定要求，該方法并未采用。
② 硬件處理
主要考慮 DSP 未使用的輸入引腳，一般情況下若將這些引腳懸空，當其積累電荷時會產生一定的感應電壓，導致輸入級上、下兩個場效應管都會導通，系統功耗增加[9]。因此，硬件上應接地或電源電壓。
最后，程序燒寫至 Flash 的不同分區時，其功耗也會不同。這與 DSP 內部硬件電路的結構有關。試驗表明，相比程序燒到 ABCD 四個分區或 AB 兩個分區而言，程序只燒寫到 A 區時，DSP 從開始運行到死機的時間更長，可由20 min 延長至40 min，且表面的溫度更低，溫度由 81 ℃降至 75 ℃。
2. 2 改進電源電路
本設計中，DSP 高速運行時工作電流很大，低差壓LDO 的功耗也很大。因此，可以考慮改進電源電路來減少系統功耗。在此，考慮兩種改進方案。
① 一種是進一步減小 LDO 的輸入電壓，芯片LDO 最小差壓為 0. 35 mV，可以通過 2 個前端 DC / DC使 LDO 輸入電壓降到盡量小。這種方法既能減小電源功耗，又能保證較好的電源質量; 但所需器件較多，電路成本較大，布局比較繁瑣。
② 直接使用具有兩路獨立 DC/DC 通道的開關電源，電路簡單，能最大限度地降低電源功耗。雖然其電源穩壓系數可能不及線性電源，但只要外部濾波電路設計得當，且系統要求穩壓系數不是很高時，一般都可以滿足應用要求。
本文采用第二種供電方案。
比較改進前后電源芯片的轉換效率，若效率越高，則芯片本身的功耗越小，系統發熱也就越小，對系統的高溫運行就更加有利。科氏變送器正常工作時，3. 3 V負載電流為 60 mA，1. 8 V 負載電流為 200 mA，LDO 的效率在不考慮本身靜態電流時( 一般較小) 近似等于輸出電壓除以輸入電壓。輸入電壓為 5 V 時，3.3 V 效率低于 66%，1. 8 V 效率低于 36%; 而雙通道 DC/DC的電源轉化效率受到輸入電壓和輸出電流的影響，輸入仍為 5 V 時，其轉換效率如圖 2 所示。
圖 2 中，1.8 V 負載電流為 200 mA 時的效率高達85% ，3. 3 V 負載電流為 60 mA 時的效率高達 80% 。
由此可知，雙 DC/DC 供電方案的轉換效率明顯優于低差壓 LDO，能很好地降低系統功耗。
2. 3 分散熱源布局
當系統中存在多個熱源時，其 PCB 布局及安裝方式對系統運行也有著重要影響。對此，可采取措施，以最大程度地減少各熱源之間的相互影響，從而避免引起較大的局部溫升。具體措施如下。
① 避免熱源在 PCB 板上集中分布，否則會引起較大的局部溫升，影響系統性能。將熱源安置在 PCB 板的邊緣位置，能縮短熱傳導的路徑，有利于使熱量向周圍環境散發，同時能減少對核心元件的影響; 采用合理的 PCB 走線以及布局，可保證覆銅平面的完整性; 增加過孔有利于熱源熱量的釋放[10]。
② 對于分塊布板的 PCB 而言，多塊 PCB 板上的熱源在安裝時要避免正對或貼得很近，這要求在 PCB設計之初就得考慮系統安裝后熱源的具體位置。對于功耗特大的熱源來說，可以將整個硬件系統放置于多個腔體中。如本系統中，為了減小熱源 LDO 對 DSP 的影響，可以考慮將其放入單獨的腔體中。
2. 4 改善散熱條件
硬件設計以及安裝方式確定以后，改善系統的散熱條件可以進一步降低系統運行時的溫度。一般采用的散熱措施包括散熱片、散熱風扇、散熱罩等。在沒有防爆要求的應用中，其表殼可以通風，此時采用散熱風扇效果較好，而一旦采用防爆表殼，該方法就無法適用。這是因為其體積一般較小，不易安裝，且內部熱量幾乎無法釋放，散熱效果不佳，同時風扇電機也會增加系統額外的功耗。
散熱罩成本較高，制作復雜，并且元器件裝焊時高低一致性較差，散熱效果同樣不好，也不能采用。變送器主要使用散熱片散熱。一方面其體積較小，所占用的殼體空間較小，便于安裝; 另一方面散熱片價格便宜，不會增加設計成本。
散熱片結構不同時，其散熱效果也不相同。試驗使用風冷式 CPU 散熱片，結構為常見的直板式，若用柱式和太陽花式散熱效果更佳，但成本較高[11]。對于變送器中的主要熱源 DSP 和 LDO，考慮 DSP 表面較大，可放置兩片散熱片，在 LDO 的表面和其散熱焊盤上各放置一片散熱片，并通過導熱性良好的硅膠粘連，以保證充分接觸。
試驗表明，通過增加散熱片可以使DSP 運行時的溫度明顯降低，可由原來的78 ℃降低為73 ℃。目前，有的儀表廠商開始通過增大殼體體積來達到散熱的目的。這樣做可以使內部器件的布局與安裝更加方便; 同時，由于空間的加大，熱源的散熱將更加充分。
3 結束語
本文基于數字式科氏質量流量變送器在高溫運行時出現的問題，通過選擇溫度性能較好的處理芯片TMS320F28334，并配合合理的軟件設置與硬件處理，保證了變送器在高溫下長時間穩定運行; 采用“雙通道 DC/DC”供電方案，在 DSP 高速運行時，明顯提高了電源轉換效率，減小了系統功耗; 充分考慮多熱源的PCB 布局和安裝，避免了殼內局部較大的溫升; 采用散熱的方法，明顯地降低了 DSP 表面的溫度。試驗表明，耐高溫對策簡單易行，具有較好的推廣應用價值。
摘自：中國計量測控網
