中心議題:

• 熱量管理是所有電路設計人員都關心的一個問題
• 理解熱量在係統各射頻/微波元件中是如何產生的

解決方案:

• 電容這樣的無源電路元件對散熱起作用
• 正確的熱量設計應從PCB級開始
• 選擇正確的材料有助於熱量管理

熱量管理是所有電路設計人員都關心的一個問題
，特別是針對大信號時。在射頻/微波電路中，大信號常見於功率放大器和係統發送端元件。不管是連續波(CW)信號還是脈衝信號，如果產生的熱量得不到有效疏導，它們都將導致印製電路板(PCB)上和係統中的熱量積聚。對電子設備來說
，發熱意味著工作壽命的縮短。

防止電路熱量積聚需要一定的想象力：可以想象成熱量從一個熱源(如功率晶體管)流向一個目的地(如散熱片或設備底座)。

理解熱量在係統各射頻/微波元件中是如何產生的也有助於熱量分析。例如，功率放大器發熱不是僅因其工作在大功率級，諸如放大器效率、放大器輸出端的阻抗匹配(VSWR)以及源自放大器輸出的熱路徑等因素都會影響放大器熱量的產生。盡管具有50%效率的功率放大器似乎已經很不錯
，但這也會浪費掉係統供給它的一半能量
，其中大部分以熱量的形式損失掉了。

除功率放大器外
，像濾波器和功率分配器這樣的無源器件的插入損耗以及元件、同軸電纜和其它互連器件連接處的阻抗不匹配(高VSWR)也會導致“散熱障礙”。高效的熱管理需要了解熱量從源(例如放大器)流過所有連接電纜和其它元件再到散熱終點的熱量流動過程。

在電路層麵，熱管理也是放大器自身的一個問題，因為熱量從放大器的有源器件向外流動——youxiereliangtongguodianlubancailiao

，youxiejinruzhouweiyuanjian
，youxieliurudianlubanshangxiafangzhouweidekongqi。lixiangqingkuangxia
，keyitigongyitiaorangreliangcongyouyuanqijianzhengquedisanfachulaidelujing
，yinweizhexieqijianzhouweidereliangjijuyehuisuoduantamendegongzuoshouming。ciwai，zhexiereliangkenengduimouxieqijianzaochengyouhaiyingxiang
，biruzaiguishuangjixingjingtiguanzhongwendudebuduanshangsheng，jitongchangsuoshuode“熱失控”。

在散熱不當的情況下，有些器件相比其它器件更易受到損壞。例如，GaAs半導體襯底的導熱率大約隻有矽器件的三分之一。在高溫下，GaAs晶體管也可能遭受記憶效應的影響(也就是說即使溫度已經下降，器件仍可能工作在高溫時的特定增益狀態)，進而導致器件線性性能變差。
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熱re量liang分fen析xi實shi質zhi上shang是shi基ji於yu對dui器qi件jian或huo電dian路lu中zhong使shi用yong的de不bu同tong材cai料liao的de研yan究jiu，以yi及ji這zhe些xie材cai料liao的de熱re阻zu或huo其qi對dui熱re量liang流liu動dong的de阻zu力li。當dang然ran，反fan過guo來lai說shuo就jiu是shi材cai料liao的de導dao熱re率lv
，這zhe是shi衡heng量liang材cai料liao導dao熱re能neng力li的de一yi個ge指zhi標biao。熱re材cai料liao(比如導熱膠和電路板材料)的數據手冊中一般都列有這一參數，參數值越高
，代表這種材料處理大功率級和發熱量的能力就越高。

熱阻可以用溫度變化(該數值是作為所采用功率的函數)來描述
，通常單位為℃/W。在為器件
、電dian路lu板ban和he係xi統tong建jian立li熱re量liang模mo型xing時shi
，必bi須xu考kao慮lv所suo有you熱re效xiao應ying的de影ying響xiang，這zhe不bu僅jin包bao括kuo器qi件jian的de自zi發fa熱re效xiao應ying，還hai包bao括kuo其qi對dui周zhou邊bian器qi件jian的de影ying響xiang。由you於yu這zhe些xie交jiao互hu作zuo用yong的de存cun在zai，熱re建jian模mo一yi般ban是shi通tong過guo構gou建jian一yi個ge帶dai有you全quan部bu發fa熱re器qi件jian的de熱re矩ju陣zhen來lai完wan成cheng的de。

在電路上，即使像電容這樣的無源電路元件也可能對散熱起作用。American Technical Ceramics公司的應用筆記《陶瓷電容中的ESR損耗(ESR Losses in Ceramic Capacitors)》就討論了不同類型電容可以安全散發多大的功率
，依據的是這些電容的等效串聯電阻(ESR)額定值。該筆記還詳細介紹了具有高ESR值的電容會如何泄漏便攜式設備中電池的電能，進而導致電池壽命的縮短。另一個有用的參考是Hittite Microwave公司的應用筆記《表貼元件的熱量管理(Thermal Management for Surface Mount Components)》，它介紹了如何將表麵貼裝元件包含進電路級熱量模型中。

當然，為了使係統能考慮到所有的熱量規劃，正確的熱量設計應從PCB級和選擇最適合特定電路設計中功率和熱量等級的PCB層ceng壓ya材cai料liao開kai始shi。在zai選xuan擇ze電dian路lu板ban層ceng壓ya材cai料liao時shi，不bu應ying隻zhi是shi簡jian單dan地di選xuan擇ze具ju有you最zui高gao導dao熱re率lv的de材cai料liao，還hai需xu要yao考kao慮lv在zai不bu同tong溫wen度du下xia的de電dian氣qi和he機ji械xie穩wen定ding性xing。

例如，層壓板可由其在所有三個方向(長、寬、厚)上的熱膨脹係數(CTE)以(yi)及(ji)介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)的(de)熱(re)係(xi)數(shu)來(lai)描(miao)述(shu)。第(di)一(yi)個(ge)參(can)數(shu)代(dai)表(biao)了(le)材(cai)料(liao)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)而(er)膨(peng)脹(zhang)或(huo)收(shou)縮(suo)的(de)程(cheng)度(du)
，而(er)第(di)二(er)個(ge)參(can)數(shu)表(biao)明(ming)了(le)介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)情(qing)況(kuang)。第(di)一(yi)個(ge)參(can)數(shu)對(dui)可(ke)靠(kao)性(xing)有(you)很(hen)大(da)影(ying)響(xiang)
，而(er)第(di)二(er)個(ge)參(can)數(shu)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)在(zai)不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)下(xia)發(fa)生(sheng)偏(pian)離(li)
，最(zui)終(zhong)導(dao)致(zhi)微(wei)帶(dai)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)阻(zu)抗(kang)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)(例如
，這種變化可能改變帶通濾波器的中心頻率)。

由於很多係統(包括商業通信和戰術軍事係統)douxuyaojuyougaokekaoxinghewendingdedianqixingneng
，dianlubancailiaogongyingshangjinnianlaifeichangguanzhureguanliwenti，kaifachudecailiaobujinnenggouchulileisigonglvfangdaqidengdianluzhongdejiaogaogonglvji，erqiezaigaowenxiabuhuifashengdianqixingnenggaibian。liru，Rogers Corporation公司最近發布的RT/duroid 6035HTC電路材料就是一種陶瓷填充PTFE複合材料，其導熱率高達1.44 W/m/K，是標準FR-4型電路板材料的好幾倍(見圖1)。這種材料整合了穩定的機械與電氣性能以及導熱性能，因此可作為高頻功率放大器的理想材料。 [page]
選(xuan)擇(ze)正(zheng)確(que)的(de)材(cai)料(liao)有(you)助(zhu)於(yu)熱(re)量(liang)管(guan)理(li)
，但(dan)同(tong)樣(yang)要(yao)求(qiu)做(zuo)熱(re)量(liang)分(fen)析(xi)。如(ru)果(guo)考(kao)慮(lv)到(dao)設(she)計(ji)中(zhong)每(mei)個(ge)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)溫(wen)度(du)
，那(na)麼(me)正(zheng)確(que)的(de)熱(re)量(liang)分(fen)析(xi)會(hui)非(fei)常(chang)耗(hao)時(shi)。為(wei)了(le)幫(bang)助(zhu)分(fen)析(xi)，安(an)捷(jie)倫(lun)科(ke)技(ji)(Agilent Technologies)公司推出的先進設計係統(ADS)工具等商業軟件仿真工具近年來都進行了升級，針對熱建模專門增加了功能或軟件工具。例如，Computer Simulation Technology公司的EM Studio電磁(EM)軟件已被用於模擬雙模濾波器中的溫度分布情況，這套軟件使用該公司的CST Microwave Studio軟件工具首次計算了濾波器導電金屬中的電流密度分布。 dissipated heat away from the resistor to enable the lowest temperature rise.

Microwave Office軟件設計工具套件供應商AWR公司在今年初與CapeSym公司簽署了一份協議，成為CapeSym公司單片微波集成電路(MMIC)SYMMIC熱分析建模軟件的全球獨家零售商。

在專用熱量分析工具方麵
，Daat Research公司提供了許多易用的建模工具
，可實現從器件級直至係統級的所有層麵分析，其中包括Coolit軟件。對於那些對熱量建模比較陌生而又想做實驗的工程師，Freebyte提供了免費的熱量分析軟件，其中包括Harvard Thermal公司開發的TAS軟件演示版和ThermoAnalytics公司開發的WinTherm軟件演示版。

總結：

本(ben)文(wen)是(shi)對(dui)熱(re)量(liang)管(guan)理(li)的(de)一(yi)種(zhong)討(tao)論(lun)
，並(bing)提(ti)出(chu)實(shi)際(ji)例(li)子(zi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。選(xuan)擇(ze)正(zheng)確(que)的(de)材(cai)料(liao)有(you)助(zhu)於(yu)熱(re)量(liang)管(guan)理(li)，但(dan)同(tong)樣(yang)要(yao)求(qiu)做(zuo)熱(re)量(liang)分(fen)析(xi)。如(ru)果(guo)考(kao)慮(lv)到(dao)設(she)計(ji)中(zhong)每(mei)個(ge)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)溫(wen)度(du)
，那(na)麼(me)正(zheng)確(que)的(de)熱(re)量(liang)分(fen)析(xi)會(hui)非(fei)常(chang)耗(hao)時(shi)。為(wei)了(le)使(shi)係(xi)統(tong)能(neng)考(kao)慮(lv)到(dao)所(suo)有(you)的(de)熱(re)量(liang)規(gui)劃(hua)，正(zheng)確(que)的(de)熱(re)量(liang)設(she)計(ji)應(ying)從(cong)PCB級和選擇最適合特定電路設計中功率和熱量等級的PCB層壓材料開始。本文也正是基於這些問題的討論和提出解決方案，並舉出相關的例子為讀者分析問題，並解決問題。