前言

工業應用中的電子控制與傳感組件能在制造、加工與生產的眾多方面提供支持或實現顯著的性能提升。但是，電子設備必須能夠承受生產鋼材、石油產品與化工品等惡劣環境或是具有極端高溫、多灰塵以及潮濕的礦山環境。在設計必須承受這些狀況（有可能存在極強的電場與磁場）的所有系統時一定要慎重考慮這些因素。只要能夠考慮到這些條件并且設計能夠適應最差工況，那么這些系統無論安裝在何處都能夠正常運行。為了實現能適用于工業應用的可行性解決方法，本文對主機設計障礙進行了探討，同時還介紹了適用于最嚴酷條件設計方案。

可靠性至關重要

在我們這個普通電話和低成本消費類電子產品無處不在的現代化世界，工程師為什么會為工廠中的周期性現場故障而焦慮呢？實際上，這既不牽涉到相關電子產品的費用也甚至可能不涉及系統維修的費用，相反，它很可能是有關安全或工廠生產力喪失的問題，其可讓后者成本相形見拙。大規模制造廠的建造費用可能高達數10億美元，而運營費用也會達到數百萬。一些系統故障導致的單次停機事件就有可能耗費數天才能重新啟動，而這有可能每天造成數十萬美元、乃至高達數百邁美元的收入損失。另外，只要發生危及生命的故障，那么造成的傷害讓人難以想象。換言之，決不能讓這些設施發生故障。

通常需要將電子控件安裝到在正常運行期間人員無法進出的區域，例如熔爐附近或大件設備的后面。這就意味著在對該控制系統進程操作時，應關閉生產區，禁止有人進入。安裝工業系統時的期望是能夠運行很多年（有時是指設施的終身壽命）而不會發生故障或者無需維護。這才是工業系統設計人員面臨的真正挑戰。

熱管理挑戰

熱量是電子產品晶體管與其它組件運行時產品的副產品。其必須得到良好管理，否則溫度升高會降低設備性能或造成器件損壞。要理解個中原由，只需簡單了解一下半導體的制造方式就能對問題清晰明了。

集成電路（IC）制造采用擴散、退火等熱處理工藝使原材料附著到結構周圍和進入其內部。材料的原子在上述過程中遷移或形成晶體結構，這在相當高的溫度（1200℃或更高）下才會出現這種現象。不過，除非IC保護絕對零度（0°K或-273.15℃），否則熱運動會繼續導致擴散，但比制造過程速度慢得多。

用于生產IC的硅的奇妙之處在于其與電阻及溫度具有非線性關系。在室溫條件上下硅的電阻隨IC工作溫度升高而相應升高。但是，當溫度升高到一定程度（高于建議阻值），則其電阻開始下降，從而造成潛在正反饋情況。此外，IC內部的各種其它系統原因也丟造成這種情況，有可能導致熱失控狀況。隨著更高電流渡過，路徑的電阻會由于加熱而降低，最終熱損傷會損壞IC。

許多電源IC和穩壓器采用輸出級過熱關斷方法來防止熱失控狀況永久性地損壞IC。但是，這仍然是一種故障狀況，因此系統會停止繼續運行。即使IC永遠達不到過熱關斷狀態，但是高溫會降低長期可靠性，進而導致過早損壞。使用IC時必須遵守產品說明書的建議工況，以便封裝內部的IC裸片溫度保持在安全值范圍內。

為了管理設備的工作溫度，制造商通常使用風扇來增強流經發熱組件的氣流。但是，風扇人盡皆知的特點是不具備長期可靠性。另外，工業設備通常與環境隔離，這會妨礙外部空氣對其進行冷卻。熱量必須通過散熱路徑從IC引到溫度更低之處。

首先從裸片這一熱源開始，必須使用IC產品說明書指定的熱阻來根據器件的散熱速率計算熱力上升。熱阻抗單位為℃/W,是IC功耗和熱量傳輸路徑長度。例如，從結點（裸片）到IC外殼的熱阻稱為θ結點到外殼熱阻（θJC）。

這些值極其重要。例如，如果采用無限制銅面作為散熱片，SOT-223 封裝中 LM340 等小型線性穩壓器的結點到環境空氣熱阻 (θJA)大約為 50?C/W。如果輸入電壓為 5V，輸出電壓為 1.8V（通用CMOS內核電壓），負載為 1A，則穩壓器的功耗為 3.2W。這就意味著，即使是采用 PCB 上的一大片表面作為散熱片并且環境空氣溫度為 20?C，裸片溫度仍然會升高到 160?C。其遠遠超過器件的正常工作溫度，有可能造成過熱關斷或隨時間的推移逐漸損壞。在本例中，除非外殼直接連接（除銅外）的更低熱阻，否則沒有其它方法可以為裸片散熱。熱量無法通過 PCB 銅制材料以足夠快的速度排出，因此以上述功率電平無法防止 IC內部溫度升高。此處的解決方案是采用更高效的方法將5V 轉換為 1.8V，如LMZ10501納米模塊開關穩壓器）。另一種選擇方案是采用熱阻抗低得多的封裝，但這不可避免地會占用更多 PCB 表面積。

與其電氣同類一樣，要計算溫升，可連續累加熱阻。例如，TRise= PDissipated × (θJC+ θCA ,其中θJC 為結點到外殼熱阻、θCA為外殼到環境熱阻，而θAE則為環境到外界或到設備所處大環境的熱阻。選用超低熱阻的封裝有助于器件散熱。另外，在外殼增加鋁制散熱片或熱管有助于提供熱阻更低的至空氣路徑。這樣就能降低工作溫度，從而顯著提高長期可靠性。

電磁設計的考慮事項

管理封閉在氣密箱體中的設備的熱量并非是唯一的問題。現在我們來看一看設備的電磁 (EM) 環境以及電磁干擾 (EMI)。許多工程師都把 EMI 敏感性看成是由照明或其它電壓過載條件導致的破壞，這種觀點本來沒什么問題。但是，這并非是極端電磁場的唯一引起故障的機制。

減輕靜電破壞是設計人員必須解決的實際問題。如果線纜（包括電源）進入底板，就會在設備中出現高電壓，無論是否是正常工況均如此。電源通常設計有防止出現電壓峰值的內在保護。輸入級可能還配備用于鉗制輸入的高速電壓監控器，以防出現與過壓相關的損壞。但是，當設備是通過電線網絡連接，這些連接就會提供一種借助電線的電容儲存電荷的方法。在傳感器模塊（帶有源電子器件）和控制器之間配備電線度達上千英尺的情況并不罕見。

自然界存在能夠毀壞設備的現象，如直接雷擊。但是，還存在另一種稱為交叉沖擊 (cross striking) 的更微妙效應。當帶有大量電荷的雷暴云砧緩慢飄過長距離布線網絡并且在線纜中感應出相反電荷時就會出現這種現象（圖 1）。

圖1 帶相反電荷的云飄過時出現的交叉沖擊情況

一般情況下，感應電荷被云層中的電荷固定在其位置中。但是，如果另一片帶有相反電荷的云朵在附近飄過，就有可能引起兩朵云之間網絡上空的靜電放電（閃電）。

圖2 交叉沖擊事件可能造成終端設備損壞

當正上空云朵中的電荷消散后，電線中的感應電荷也必須消散。由于電荷從電線中快速消失，因此在線纜兩端會出現極其高的電壓。如果不受控制，此類電壓有可能破壞位于電線兩端的所有設備（圖 2）。為了降低這種破壞，需在終端設備的線纜終端配備電弧管或火花隙以及靜電放電(ESD)保護二極管，從而提供將電荷引入大地的路徑。否則，該路徑會經過線纜驅動器或收發器，其很難幸免于難。如前所訴，其它類型的 EMI 不會直接損壞 IC。相反，其會導致 IC 轉移其工作點；或者導致偏移指定限制。許多制造廠現在紛紛在其制造工藝中采用微波加熱器或其它射頻源。這些大型 RF 場能在 IC 中的各種寄生二極管和有源組件中產生感應電流。如果在設計IC 時缺乏處理這些場的措施，那么內部偏置點就有可能轉移，從而改變電路的工作點。

可以在眾多對講電話中觀察到一種常見的非工業 EMI問題。放大器通常容易受到手機等 RF 源的影響。在使用對講電話通話時，若手機也在附近，則經常會在通話時聽到嗡嗡聲。蜂窩發射器產生的 RF 能量以寄生方式解調進入放大器鏈，從而可以通過揚聲器發出可聽到的聲音。

但是，在工業控制應用中，這種現象要嚴重得多。其經常構成高精度測量中的偏移。其可能造成幾度的溫度感測誤差或者遠程傳感器的其它測量誤差。很多工藝都必須要求極其苛刻的容差。任何偏差都有可能造成生產工藝的災難性失敗，或者起碼會造成質量不達標。為了解決這個問題，設計人員需要采用抗 RF (RF-hardened) 組件（切勿與抗輻射(radiation-hardened)IC混淆）。

結論

對電子系統來說，工業環境是極其嚴酷苛刻的。設計人員必須兼顧考慮到高溫以及其它損壞與干擾源。這些重任目前大部分由 IC 自身承擔，因為它們具有處理極端條件的能力。但是，歸根結底，能否最終實現連續多年無故障運行的系統，關鍵在于設計人員的決策。

審核編輯：劉清