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射频计的热管理从选择电路板开始

日期:2013年6月9日 15:31

  射频/微波设计中正确的热管理需从仔细选择电子材料开始,而印刷电路板(PCB)又是这些材料中最重要的一种。在大功率、高频率的电路(如功放)中,热量可能在放大器中的有源器件周围积聚起来。为了防止器件结点、附近的电路元器件或甚至PCB材料的损坏,系统必须将热量从有源器件中正确地传导出去,并通过器件封装、电路接地、散热片、设备机壳和环境空气安全地散发。PCB材料的选择对大功率射频/微波设计的总体热管理有很大的影响。

  电路材料的功率处理能力与其控制温升的能力有关,而温升又是外加功率和耗散功率的函数。对于大多数电子元器件而言,工作温度升高将会缩短其工作寿命,并且经常还会降低其电气性能。不管是环境温度较高,还是因大功率工作而引起的电路及其元器件温度升高,其结果都会导致高温下的损坏和性能下降。根据电路必须耗散的功率大小,使该电路保持在较低的温度下,通常能够保证较高的可靠性。

  PCB在高温下会发生什么现象呢?就像大多数材料一样,PCB会随温度变化而热胀冷缩——当温度上升时,PCB会在三个轴向上(长度、宽度和厚度)膨胀。这种随温度变化导致的膨胀程度,可以用PCB材料的热膨胀系数(CTE)来表征。因为PCB通常由覆铜(用于形成传输线和地平面)电介质形成,所以该材料在x和y方向上的线性CTE,通常设计得与铜的CTE(约17ppm/℃)相匹配。通过这种方法,这些材料就会随温度的变化而一起膨胀和收缩,从而最大程度地减小了两种材料连接处的应力。

  电介质材料z轴(厚度)的CTE,通常设计为较低的值,以便最大程度地减小随温度而发生的尺寸变化,并保持电镀通孔(PTH)的完整性。PTH为接地和多层电路板互连,提供所需的从电路板顶层到底层的路径。

  除了机械变化以外,温度还会影响PCB的电气性能。例如,PCB层压板的相对介电常数是温度的函数,由介电常数的热系数这一参数所定义。该参数描述了介电常数的变化(单位通常是ppm/℃)。由于高频传输线的阻抗不仅取决于基板材料的厚度,而且取决于其介电常数,因此z轴的CTE和作为温度函数的介电常数的变化,会显著影响在这种材料上制作的微带和带状传输线的阻抗。

  当然,微波电路依赖于元器件和电路结点之间紧密匹配的阻抗,来最大限度地减小可能导致信号损失和相位失真的反射。在功放电路中,阻抗匹配电路用于实现从功率晶体管的典型低阻抗到射频/微波电路或系统的典型50Ω特性阻抗的转化。由大功率信号的温度效应引起的传输线阻抗的变化,可能改变高频放大器的频率响应,因此,应通过仔细选择PCB层压板来尽可能减小这些效应。

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