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流量變送器耐高溫對(duì)策
發(fā)布時(shí)間：2017-11-22
引言
流量變送器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)往往面臨各種高溫條件的考驗(yàn)，如高溫的生產(chǎn)車間、烈日直射的野外環(huán)境等都對(duì)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(yàn)[1]。
有的廠家使用的數(shù)字信號(hào)處理芯片( DSP) ，在提高變送器性能的同時(shí)增加了系統(tǒng)工作電流和功耗，使得變送器整體溫度升高。當(dāng)這種變送器用于天然氣、石油等化工場(chǎng)合時(shí)，為滿足防爆隔爆的要求，其外殼必須封閉[2]，從而導(dǎo)致變送器系統(tǒng)內(nèi)部熱量無法排出，殼內(nèi)的核心器件可能會(huì)受到本身溫升或其他熱源的影響而無法工作。在此，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中所遇到的高溫問題，以數(shù)字式科里奧利質(zhì)量流量變送器為研究對(duì)象，分析造成核心芯片死機(jī)的原因，并通過大量的溫度試驗(yàn)，提出了保證流量變送器在高溫下正常運(yùn)行的措施。
1 高溫影響分析
1. 1 死機(jī)原因
基于 DSP 的數(shù)字式科氏質(zhì)量流量變送器系統(tǒng)主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、DSP 最小系統(tǒng)、輸入調(diào)理與采集電路、輸出電路和人機(jī)接口五個(gè)部分組成[3]。系統(tǒng)調(diào)試完成以后，裝在具有隔爆功能的表殼中進(jìn)行溫度試驗(yàn)，高溫試驗(yàn)的溫度要求為 55 ℃。
試驗(yàn)使用DGG-9053AD 烘箱，烘箱溫度可調(diào)節(jié)范圍為 10 ～ 200 ℃，誤差為 ± 1 K。試驗(yàn)時(shí)，從變送器內(nèi)部引出適當(dāng)?shù)男盘?hào)至箱體外，并用示波器觀察，以確定變送器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。采用精度為1. 5% 的三線制 Pt100 熱電阻置于 DSP 表面測(cè)量其表面溫度，并采用導(dǎo)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(bǔ)償電路對(duì) Pt100的導(dǎo)線電阻進(jìn)行補(bǔ)償[4]。
試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度高于 50 ℃ 時(shí)，出現(xiàn)了 DSP死機(jī)的情況。經(jīng)過分析，造成 DSP 死機(jī)的原因可能有如下兩種情況。
① 系統(tǒng)中其他集成芯片可能由于受到高溫影響而工作異常，產(chǎn)生錯(cuò)誤復(fù)位信號(hào)或中斷信號(hào)，導(dǎo)致 DSP出現(xiàn)死機(jī)[5]。而本系統(tǒng)中沒有使用到外部中斷，因此，只需考慮復(fù)位信號(hào)。實(shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) DSP 死機(jī)時(shí)，復(fù)位芯片仍能正常運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生有效的造成 DSP 死機(jī)的復(fù)位信號(hào)，所以排除這種情況。
② 高溫可能使 DSP 芯片本身結(jié)溫過高，造成內(nèi)部集成電路工作狀態(tài)異常而死機(jī)。實(shí)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?yàn)? 實(shí)際應(yīng)用環(huán)境溫度過高; DSP 本身高速運(yùn)行時(shí)功耗很大; 實(shí)際硬件系統(tǒng)中其他熱源的影響; 封閉表殼內(nèi)部無法通風(fēng)，產(chǎn)生較大的溫升等。變送器表殼封閉試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。常溫下，防爆封閉表殼會(huì)造成 DSP 10 K 左右的溫升; 而當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 55 ℃時(shí)，DSP 表面溫度會(huì)逼近其正常運(yùn)行的溫度上限 85 ℃ ，此時(shí)可能會(huì)造成 DSP 死機(jī)。
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(yīng)用場(chǎng)合的限制，隔爆表殼以及高溫環(huán)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(yùn)行和系統(tǒng)其他熱源來降低系統(tǒng)損耗，改善系統(tǒng)高溫運(yùn)行條件。
1. 2 系統(tǒng)熱源分析
系統(tǒng)熱源主要是實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(dǎo)可將熱量傳向系統(tǒng)的其他部分和周圍環(huán)境中。某些核心器件可能由于受到高溫?zé)嵩吹挠绊懚鵁o法正常工作，因此，尋找系統(tǒng)的熱源是解決溫度問題的關(guān)鍵。
科氏質(zhì)量流量變送器整個(gè)硬件系統(tǒng)可分為數(shù)字部分和模擬部分，并相應(yīng)地制作了 PCB 數(shù)字板和模擬板。系統(tǒng)中，高速運(yùn)行的 DSP 在正常工作時(shí)內(nèi)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(gè) DSP 功耗約為1. 8 ×200 +3. 3 ×60 =558 mW。
電源轉(zhuǎn)換模塊如圖 1 所示，其轉(zhuǎn)換效率直接影響整個(gè)系統(tǒng)功耗的大小。
對(duì)于低壓差線性穩(wěn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器件有的功耗也較大，但都和 DSP 分板布局，對(duì)DSP 的影響較小。因此，本系統(tǒng)主要考慮的熱源是DSP 本身和其電源芯片 LDO4。
1. 3 熱傳導(dǎo)路徑分析
確定整個(gè)系統(tǒng)熱源之后，還需找出這些熱源的熱傳導(dǎo)路徑，分析這些熱源對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)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(shè)計(jì)，所以在分析熱傳導(dǎo)路徑時(shí)，需要考慮 PCB 板本身的熱傳導(dǎo)性能。
對(duì)于器件本身而言，熱傳導(dǎo)與它們的封裝大小、封裝類型和安裝方式有關(guān)。隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，現(xiàn)在許多器件的封裝尺寸越來越小，且設(shè)計(jì)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(huán)境中; 而表征熱傳遞性能好壞的是器件與外部環(huán)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(tǒng)中，若 DSP 采用 176 腳的 PGF 封裝，則根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，θJA為內(nèi)部結(jié)與外部環(huán)境之間的熱電阻，約為 44 ℃ /W，θJC為內(nèi)部結(jié)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(jié)、外部環(huán)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(nèi)部結(jié)溫與環(huán)境溫度之差約為 44 ℃ /W × 0. 558 W =25 ℃ ，器件表面溫度與內(nèi)部結(jié)溫之差約為 8. 2 ℃ / W ×0. 558 W = 4. 6 ℃ 。
由于內(nèi)部結(jié)溫在實(shí)際應(yīng)用中無法測(cè)量，只能根據(jù)實(shí)際功耗大致估計(jì)，同時(shí)，實(shí)際 DSP 功耗在不同條件以及環(huán)境下相差很大，也是無法精確計(jì)算的。因此，可以通過直接測(cè)量 DSP 表面的溫度來間接地表征器件實(shí)際的內(nèi)部溫度。實(shí)際內(nèi)部結(jié)溫與器件表面溫度相差很小，約為 5 K。
對(duì)于功耗較大的器件，上述熱傳導(dǎo)是明顯不足的。大功率器件封裝通常在內(nèi)部都有一個(gè)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(dāng)散熱片面與 PCB 的散熱焊盤直接相連時(shí)，散熱焊盤能將散熱片熱量一部分釋放到周圍的環(huán)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(dǎo)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(duì)于 PCB 板的熱傳導(dǎo)而言，其熱量來源主要來自于兩個(gè)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(dǎo)電層線路的損耗。目前廣泛應(yīng)用的 PCB 板材是覆銅/環(huán)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(yōu)良的電氣性能和加工性能，但由于板材中的樹脂導(dǎo)熱性差，使得 PCB 板向周圍環(huán)境散熱的能力也很差?？紤]到 PCB 中銅箔是熱的良導(dǎo)體，系統(tǒng)的地平面或電源平面大都是整體覆銅，對(duì)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(zhuǎn)移。同時(shí)，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(huán)境中釋放。
2 解決方案
在確定系統(tǒng)熱源以及熱傳導(dǎo)路徑后，可采取以下幾種措施改善系統(tǒng)的溫度條件，并相應(yīng)進(jìn)行高溫試驗(yàn)，檢驗(yàn)散熱的效果。
2. 1 器件選型與使用
對(duì)于一般的集成器件來說，內(nèi)部結(jié)溫決定了器件工作時(shí)的溫度條件，一般來說不能超過 150 ℃。對(duì)于具有高速處理能力的 DSP 而言，不同廠家不同型號(hào)的DSP 由于內(nèi)部集成電路結(jié)構(gòu)的不同，他們的溫度特性也不相同。如前所述，同一型號(hào)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(nèi)部軟件的工作方式也會(huì)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(shí)際功耗最低。
首先，選擇高溫性能較好的DSP。如對(duì)于TMS320F28334PGFA、TMS320F28335PGFA 兩款 TI 的DSP 來說，雖然其溫度等級(jí)相同，但由于內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)存在差異，溫度特性就可能不同。
試驗(yàn)表明，在相同條件下，TMS320F28335PGFA 的溫度特性較差，即當(dāng)溫箱溫度達(dá)到 55 ℃ 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象; 而 TMS320F28334PGFA 卻能夠高溫長時(shí)間運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)的要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 2 所示。
其次，合理使用 DSP，降低 DSP 的本身功耗。
① 軟件設(shè)置
關(guān)閉 DSP 內(nèi)部沒有用到的外設(shè)模塊和沒有訪問到的存儲(chǔ)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(shè)置工作頻率使其降頻運(yùn)行，這將大大降低 DSP 的功耗，但同時(shí)犧牲了軟件的實(shí)時(shí)性。由于科氏流量計(jì)對(duì)軟件實(shí)時(shí)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(dāng)其積累電荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓，導(dǎo)致輸入級(jí)上、下兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管都會(huì)導(dǎo)通，系統(tǒng)功耗增加[9]。因此，硬件上應(yīng)接地或電源電壓。
最后，程序燒寫至 Flash 的不同分區(qū)時(shí)，其功耗也會(huì)不同。這與 DSP 內(nèi)部硬件電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)。試驗(yàn)表明，相比程序燒到 ABCD 四個(gè)分區(qū)或 AB 兩個(gè)分區(qū)而言，程序只燒寫到 A 區(qū)時(shí)，DSP 從開始運(yùn)行到死機(jī)的時(shí)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(jìn)電源電路
本設(shè)計(jì)中，DSP 高速運(yùn)行時(shí)工作電流很大，低差壓LDO 的功耗也很大。因此，可以考慮改進(jìn)電源電路來減少系統(tǒng)功耗。在此，考慮兩種改進(jìn)方案。
① 一種是進(jìn)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(gè)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(zhì)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(dú)立 DC/DC 通道的開關(guān)電源，電路簡單，能最大限度地降低電源功耗。雖然其電源穩(wěn)壓系數(shù)可能不及線性電源，但只要外部濾波電路設(shè)計(jì)得當(dāng)，且系統(tǒng)要求穩(wěn)壓系數(shù)不是很高時(shí)，一般都可以滿足應(yīng)用要求。
本文采用第二種供電方案。
比較改進(jìn)前后電源芯片的轉(zhuǎn)換效率，若效率越高，則芯片本身的功耗越小，系統(tǒng)發(fā)熱也就越小，對(duì)系統(tǒng)的高溫運(yùn)行就更加有利?？剖献兯推髡９ぷ鲿r(shí)，3. 3 V負(fù)載電流為 60 mA，1. 8 V 負(fù)載電流為 200 mA，LDO 的效率在不考慮本身靜態(tài)電流時(shí)( 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(shí)，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(zhuǎn)化效率受到輸入電壓和輸出電流的影響，輸入仍為 5 V 時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率如圖 2 所示。
圖 2 中，1.8 V 負(fù)載電流為 200 mA 時(shí)的效率高達(dá)85% ，3. 3 V 負(fù)載電流為 60 mA 時(shí)的效率高達(dá) 80% 。
由此可知，雙 DC/DC 供電方案的轉(zhuǎn)換效率明顯優(yōu)于低差壓 LDO，能很好地降低系統(tǒng)功耗。
2. 3 分散熱源布局
當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)熱源時(shí)，其 PCB 布局及安裝方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行也有著重要影響。對(duì)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(huì)引起較大的局部溫升，影響系統(tǒng)性能。將熱源安置在 PCB 板的邊緣位置，能縮短熱傳導(dǎo)的路徑，有利于使熱量向周圍環(huán)境散發(fā)，同時(shí)能減少對(duì)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(duì)于分塊布板的 PCB 而言，多塊 PCB 板上的熱源在安裝時(shí)要避免正對(duì)或貼得很近，這要求在 PCB設(shè)計(jì)之初就得考慮系統(tǒng)安裝后熱源的具體位置。對(duì)于功耗特大的熱源來說，可以將整個(gè)硬件系統(tǒng)放置于多個(gè)腔體中。如本系統(tǒng)中，為了減小熱源 LDO 對(duì) DSP 的影響，可以考慮將其放入單獨(dú)的腔體中。
2. 4 改善散熱條件
硬件設(shè)計(jì)以及安裝方式確定以后，改善系統(tǒng)的散熱條件可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的溫度。一般采用的散熱措施包括散熱片、散熱風(fēng)扇、散熱罩等。在沒有防爆要求的應(yīng)用中，其表殼可以通風(fēng)，此時(shí)采用散熱風(fēng)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?yàn)槠潴w積一般較小，不易安裝，且內(nèi)部熱量幾乎無法釋放，散熱效果不佳，同時(shí)風(fēng)扇電機(jī)也會(huì)增加系統(tǒng)額外的功耗。
散熱罩成本較高，制作復(fù)雜，并且元器件裝焊時(shí)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(jià)格便宜，不會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。
散熱片結(jié)構(gòu)不同時(shí)，其散熱效果也不相同。試驗(yàn)使用風(fēng)冷式 CPU 散熱片，結(jié)構(gòu)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(duì)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(dǎo)熱性良好的硅膠粘連，以保證充分接觸。
試驗(yàn)表明，通過增加散熱片可以使DSP 運(yùn)行時(shí)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(dá)到散熱的目的。這樣做可以使內(nèi)部器件的布局與安裝更加方便; 同時(shí)，由于空間的加大，熱源的散熱將更加充分。
3 結(jié)束語
本文基于數(shù)字式科氏質(zhì)量流量變送器在高溫運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)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(shè)置與硬件處理，保證了變送器在高溫下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行; 采用“雙通道 DC/DC”供電方案，在 DSP 高速運(yùn)行時(shí)，明顯提高了電源轉(zhuǎn)換效率，減小了系統(tǒng)功耗; 充分考慮多熱源的PCB 布局和安裝，避免了殼內(nèi)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(yàn)表明，耐高溫對(duì)策簡單易行，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
摘自：中國計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
