PCB 設(shè)計(jì)導(dǎo)致參考電壓熱滯后？

每當(dāng)您需要在 PCB 布局中放置參考電壓時(shí)，它必須對(duì)溫度波動(dòng)和外部噪聲具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性。 參考電壓源的漂移會(huì)產(chǎn)生微小的電壓誤差，這在一些精密測量系統(tǒng)、精密穩(wěn)壓器和高分辨率轉(zhuǎn)換器中是不能接受的。 參考電壓電路有一個(gè)特定的量，它定義了溫度循環(huán)如何影響參考電壓，稱為熱滯。

對(duì)于半導(dǎo)體元件來說，熱滯現(xiàn)象是不可避免的，只是因?yàn)榘雽?dǎo)體器件的平面結(jié)構(gòu)。 雖然不能完全避免熱滯，但可以通過在將產(chǎn)品部署到最終環(huán)境之前執(zhí)行適當(dāng)?shù)?PCB 安裝和電氣測試來抑制熱滯。 這就是導(dǎo)致熱滯后的原因以及在準(zhǔn)備部署新解決方案時(shí)如何消除它。

什么是熱滯后？

從技術(shù)上講，由于某些變量或系統(tǒng)參數(shù)（包括溫度和隨溫度變化的量）的變化，任何可以物理測量的量在測量過程中都會(huì)表現(xiàn)出滯后現(xiàn)象。 通常，通過分離含有抗凍蛋白/糖蛋白的溶液中冰晶的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)來討論熱滯現(xiàn)象。 隨著溶液溫度在極限值之間循環(huán)，凝固溫度和熔化溫度會(huì)略有變化。 從概念上講，熱滯后可以與磁滯進(jìn)行比較，其中循環(huán)磁場會(huì)留下一些剩余磁化強(qiáng)度。

電路中的熱滯后

在電子產(chǎn)品中，熱滯后用于描述參考電壓的準(zhǔn)確性。 這些是精密電路和設(shè)備，用于為某些其他電路中的電壓測量提供穩(wěn)定的比較。 一些需要穩(wěn)定參考電壓的電路和元器件有：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)：這兩個(gè)電路使用參考電壓來設(shè)置量化值。

低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器：參考電壓用作誤差放大器的輸入，以檢測穩(wěn)壓器的輸出電壓何時(shí)下降得太低。 然后誤差放大器調(diào)制 MOSFET 以將輸出電壓校正為所需值。

比較器：參考電壓源為比較器的高低閾值及其開關(guān)遲滯提供了基礎(chǔ)。 這可以由電池、齊納二極管或硅帶隙參考源提供。

正式定義

熱滯的形式被正式定義為在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)設(shè)備循環(huán)前后輸出電壓在環(huán)境溫度 (+25°C) 下的變化。 電壓參考電路中的熱滯后通常以 ppm/°C 為單位測量。這是輸出參考電壓由于 ΔT 中的溫度循環(huán)而引起的變化量。實(shí)際上，當(dāng)溫度 ΔT 循環(huán)時(shí)，這是一個(gè) 參考電壓電路輸出電壓的永久變化。

如果器件在其低溫額定值和高溫額定值之間循環(huán)（例如，許多組件的溫度范圍為 - 40°C 至 125°C），對(duì)于典型的帶隙參考電壓，輸出的總變化可達(dá)~1 mV 電路。 正確安裝在 PCB 上的高精度電路的滯后值在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)可低至 ~105 ppm。 請(qǐng)注意，即使電路的溫度保持恒定，這些電路中也會(huì)出現(xiàn)長期漂移。

是什么導(dǎo)致熱滯后？

熱滯是由于在溫度循環(huán)過程中半導(dǎo)體管芯上積累的機(jī)械應(yīng)力引起的。 應(yīng)力分布以及如何從器件中釋放應(yīng)力取決于芯片之前是否處于較高或較低的溫度以及器件中過去的應(yīng)力歷史。 由于熱脹冷縮，應(yīng)力會(huì)在管芯的不同位置累積和凝固。

帶有參考電壓電路的設(shè)備下線后，通常會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下進(jìn)行短時(shí)間測試。 接下來發(fā)生的事情可能會(huì)對(duì)半導(dǎo)體管芯施加壓力，并導(dǎo)致參考電壓電路的輸出以下列方式發(fā)生變化：

封裝時(shí)的加熱和冷卻：將模具放入封裝時(shí)，將其放入高溫環(huán)氧樹脂封裝中。 然后將包裝冷卻并恢復(fù)到環(huán)境溫度。 在這個(gè)過程中，應(yīng)力會(huì)累積在模具上。

裝配時(shí)的焊接：波峰焊需要將設(shè)備加熱到高溫并保持一段時(shí)間。 冷卻后，模具中會(huì)積累一些應(yīng)力。 手工焊接不會(huì)將整個(gè)設(shè)備加熱到大量應(yīng)力累積的程度。

運(yùn)行時(shí)發(fā)熱：設(shè)備在PCB上工作時(shí)，溫度必然會(huì)發(fā)生變化。 熱量可能從電路板上的其他元件或外部環(huán)境流向參考電壓電路。

在容易出現(xiàn)熱滯后的零件周圍放置凹口是增加零件下方基板剛度的一種方法。 此外，將設(shè)備放置在遠(yuǎn)離 PCB 板中心的位置。 這兩種方法都被實(shí)驗(yàn)證明可以減少應(yīng)力積累和熱滯。

板的邊緣提供了一個(gè)堅(jiān)硬的安裝表面，以防止由于熱滯后導(dǎo)致的輸出電壓變化。

最后，為了減少管芯中的應(yīng)力并迫使參考電壓電路穩(wěn)定到其長期輸出，電路可以在組裝好的 PCB 運(yùn)行時(shí)反復(fù)循環(huán)。 這可能需要多次循環(huán)，但一些元件制造商對(duì)參考電壓的測量表明，在重復(fù)循環(huán)后，遲滯窗口會(huì)隨著時(shí)間的推移而減小。 PCB加工廠解釋了PCB設(shè)計(jì)引起的電壓基準(zhǔn)的熱滯，什么是熱滯。