射频设计中的热量管理方案

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 热量管理是所有电路设计人员都关心的一个问题,特别是针对大信号时。在射频/微波电路中,大信号常见于功率放大器和系统发送端元件。不管是连续波(CW)信号还是脉冲信号,如果产生的热量得不到有效疏导,它们都将导致印制电路板(PCB)上和系统中的热量积聚。对电子设备来说,发热意味着工作寿命的缩短。

  防止电路热量积聚需要一定的想象力:可以想象成热量从一个热源(如功率晶体管)流向一个目的地(如散热片或设备底座)。

  理解热量在系统各射频/微波元件中是如何产生的也有助于热量分析。例如,功率放大器发热不是仅因其工作在大功率级,诸如放大器效率、放大器输出端的阻抗匹配(VSWR)以及源自放大器输出的热路径等因素都会影响放大器热量的产生。尽管具有50%效率的功率放大器似乎已经很不错,但这也会浪费掉系统供给它的一半能量,其中大部分以热量的形式损失掉了。

  除功率放大器外,像滤波器和功率分配器这样的无源器件的插入损耗以及元件、同轴电缆和其它互连器件连接处的阻抗不匹配(高VSWR)也会导致“散热障碍”。高效的热管理需要了解热量从源(例如放大器)流过所有连接电缆和其它元件再到散热终点的热量流动过程。

  在电路层面,热管理也是放大器自身的一个问题,因为热量从放大器的有源器件向外流动——有些热量通过电路板材料,有些进入周围元件,有些流入电路板上下方周围的空气。理想情况下,可以提供一条让热量从有源器件正确地散发出来的路径,因为这些器件周围的热量积聚也会缩短它们的工作寿命。此外,这些热量可能对某些器件造成有害影响,比如在硅双极型晶体管中温度的不断上升,即通常所说的“热失控”。

  在散热不当的情况下,有些器件相比其它器件更易受到损坏。例如,GaAs半导体衬底的导热率大约只有硅器件的三分之一。在高温下,GaAs晶体管也可能遭受记忆效应的影响(也就是说即使温度已经下降,器件仍可能工作在高温时的特定增益状态),进而导致器件线性性能变差。

  热量分析实质上是基于对器件或电路中使用的不同材料的研究,以及这些材料的热阻或其对热量流动的阻力。当然,反过来说就是材料的导热率,这是衡量材料导热能力的一个指标。热材料(比如导热胶和电路板材料)的数据手册中一般都列有这一参数,参数值越高,代表这种材料处理大功率级和发热量的能力就越高。

  热阻可以用温度变化(该数值是作为所采用功率的函数)来描述,通常单位为℃/W。在为器件、电路板和系统建立热量模型时,必须考虑所有热效应的影响,这不仅包括器件的自发热效应,还包括其对周边器件的影响。由于这些交互作用的存在,热建模一般是通过构建一个带有全部发热器件的热矩阵来完成的。

  在电路上,即使像电容这样的无源电路元件也可能对散热起作用。American Technical Ceramics公司的应用笔记《陶瓷电容中的ESR损耗(ESR Losses in Ceramic Capacitors)》就讨论了不同类型电容可以安全散发多大的功率,依据的是这些电容的等效串联电阻(ESR)额定值。该笔记还详细介绍了具有高 ESR值的电容会如何泄漏便携式设备中电池的电能,进而导致电池寿命的缩短。另一个有用的参考是Hittite Microwave公司的应用笔记《表贴元件的热量管理(Thermal Management for Surface Mount Components)》,它介绍了如何将表面贴装元件包含进电路级热量模型中。

  当然,为了使系统能考虑到所有的热量规划,正确的热量设计应从PCB级和选择最适合特定电路设计中 功率和热量等级的PCB层压材料开始。在选择电路板层压材料时,不应只是简单地选择具有最高导热率的材料,还需要考虑在不同温度下的电气和机械稳定性。

  例如,层压板可由其在所有三个方向(长、宽、厚)上的热膨胀系数(CTE)以及介电常数的热系数来描述。第一个参数代表了材料随温度变化而膨胀或收缩的程度,而第二个参数表明了介电常数随温度的变化情况。第一个参数对可靠性有很大影响,而第二个参数可能引起介电常数在不同温度下发生偏离,最终导致微带电路中的阻抗发生变化(例如,这种变化可能改变带通滤波器的中心频率)。

  由于很多系统(包括商业通信和战术军事系统)都需要具有高可靠性和稳定的电气性能,电路板材料供应商近年来非常关注热管理问题,开发出的材料不仅能够处理类似功率放大器等电路中的较高功率级,而且在高温下不会发生电气性能改变。例如,Rogers Corporation公司最近发布的RT/duroid 6035HTC电路材料就是一种陶瓷填充PTFE复合材料,其导热率高达1.44 W/m/K,是标准FR-4型电路板材料的好几倍(见图1)。这种材料整合了稳定的机械与电气性能以及导热性能,因此可作为高频功率放大器的理想材料。

  选择正确的材料有助于热量管理,但同样要求做热量分析。如果考虑到设计中每个有源器件的温度,那么正确的热量分析会非常耗时。为了帮助分析,安捷伦科技(Agilent Technologies)公司推出的先进设计系统(ADS)工具等商业软件仿真工具近年来都进行了升级,针对热建模专门增加了功能或软件工具。例如,Computer Simulation Technology公司的EM Studio电磁(EM)软件已被用于模拟双模滤波器中的温度分布情况,这套软件使用该公司的CST Microwave Studio软件工具首次计算了滤波器导电金属中的电流密度分布。

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