ARM单片机系统设计之热管理

创作时间:

作者:

@小白创作中心

ARM单片机系统设计之热管理

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/MUKAMO/article/details/138461162

在嵌入式系统设计中，热管理是一个至关重要的环节。本文详细介绍了基于ARM内核微控制器或微处理器的热管理方法，涵盖了热系统的基本概念、热模型以及MCU的热参数等内容。通过本文，读者可以深入了解如何确保MCU在不同温度条件下稳定运行，从而延长其使用寿命。

引言

本文档描述了基于ARM内核微控制器或微处理器的应用程序的热管理方法。微控制器或微处理器是基于硅基的集成电路，都有明确定义的存储和工作温度范围。

MCU的温度范围包括：最大工作温度范围和产品工作温度范围。最大工作温度范围定义了超过该温度阈值时，MCU有很高可能性遭受永久性损坏的温度。工作温度范围定义了超过该温度阈值时，电气参数不能保证在规格范围内的温度。通常来说，MCU的最大规定工作范围指的是结温，而工作温度范围指的是环境温度，也可能指的是结温。在半导体行业中，通过参考环境温度或结温来指定工作温度范围是常见的做法。根据MCU及其功耗，半导体供应商会使用这些温度中的一个来指定产品的工作环境温度范围。

“结温”（junction temperature）通常指的是半导体器件内部的热节点温度，而“环境温度”（ambient temperature）则指的是MCU工作的周围环境温度。半导体设备的性能和可靠性很大程度上取决于它们工作时的温度，因此，了解和遵守这些温度范围对于确保设备正常运行和延长其使用寿命至关重要。

1. 热系统定义和基本概念

本节详细介绍了E/E系统热设计相关的基本定义和概念，特别适用于硅基集成电路（ICs）。

1.1 热系统定义

热能：在不同温度作用下，两个不同物体之间自发交换的能量量。

温度：一个物体有多热或多冷的比较性测量。一个给定物体的温度随着它吸收热量而上升，随着它释放热量而下降。

温度梯度：指的是一个物体内部不同位置之间的不均匀温度分布。温度梯度的大小反映了物体内部从一个位置到另一个位置的温度差异。

热阻：材料在一定温度梯度下传导一定量热量的性质。

1.2 热系统研究

热系统的设计采用了复杂的热模型和先进的仿真软件工具。这些模型和工具用于获得准确的结果。为了以可接受的精度解决热系统问题，并减少计算工作量，可以使用许多简化假设（例如，考虑热阻与温度无关）。使用这些假设，热系统的学习类似于电气系统的学习，在电气系统中，热量等同于电流，温度等同于电压，热阻等同于电阻。

图1. 电气和热系统领域的类比

上述模型在电子行业中广泛认可的热模型，大多数半导体厂商根据这个简化模型，按照标准化机构（如JEDEC EIA/JESD 51-X标准）的规定，提供他们封装产品的热阻参数。设计人员在处理他们的应用中的散热问题时，或者至少在早期阶段，在选择给定产品的合适封装时，会考虑所提供的热阻参数。

1.3 热模型的芯片载体

下面提供的图为一个LQFP封装的MCU的简化热模型。图中展示了所有表面温度和热阻（根据JEDEC EIA/JESD 51-X标准定义）。

图2. 芯片载体的热模型

表1. 热参数

符号	描述	单位
TJ	裸晶（芯片）的温度	°C
TA	周围空气的温度	°C
TC	封装外壳的温度	°C
TB	接近设备处的板（基板）的温度	°C
θJC	裸晶与封装外壳之间的热阻	°C/W
θJB	裸晶与印刷电路板（PCB）之间的热阻	°C/W
θJA	裸晶与周围空气之间的热阻	°C/W
PB	通过板耗散的功率	W
PC	通过封装顶部耗散的功率	W
PT	设备总耗散功率 (PT = PB + PC)	W