电子产品热测试概述

1热测试的目的和内容

在电子产品散热设计中,热测试是必不可少的一个环节。热测试的目的主要有以下四点:

  • 测试产品实际散热表现是否能达到要求;
  • 检验产品散热方案有无可改进、降成本之处;
  • 测试各种方案的实际表现;
  • 与设计前期理论/仿真预估进行回归总结,提高后续散热设计水平

热测试需要关注的并不只是温度,而是与温度相关的所有因素。在测试中,为了保证测试系统设定正确,需要同时监控噪音、功耗和相关散热手段的使用等。热测试的内容包括如下6项:

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2 温度测试

温度是热测试中最关键的测试参数。依据测温仪器是否接触热源,测温方法可分为接触式测温和非接触式测温。其中,接触测试稳重的热电偶和热电阻在电子散热领域大量应用。与热电偶和热电阻只能测试某个点的温度不同,红外测温可以测试一个平面的温度分布,应用也较为广泛。示温材料是一种热致变色的材料,温度不同时,其表现的颜色会发生变化。示温材料多用于重工业设备。当前在电子散热的热测试中,应用不多。

表1 常用测温方法对比

测温方法 温度传感器 测温范围(°C) 精度(%)
接触式 热电偶 -200~1800 0.2~1.0
热电阻 -50~300 0.1~0.5
示温材料 -35~2000 <1
非接触式 红外测温 -50~3300 1

 

2.1接触式测温

热电偶的测温基于塞贝克效应。即当两种不同的金属组成回路时,两个节点间的温差会导致回路中产生电势。这种由于温差导致的电势称为热电势。

结点1和结点2之间温差与热电势之间存在一一对应的函数关系。因此,可以通过测量两点之间的电势来换算结点1和结点2之间的温差。

 

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需要注意的是,不同金属相互接触时,由于自由电子密度不同,电子将会从密度高的区域扩散到密度低的区域,从而产生接触电势。显然接触电势与自由电子的扩散速率有关,而电子的扩散速率与温度直接相关。以上图为例,A、B两种金属存在两个结点,假设结点1温度更高,且A中的自由电子密度更大,那么,回路中将会出现这种情况:在结点1处,A中的自由电子将转移到B中的速率更快,自由电子在回路中的移动方向是逆时针,电流方向为顺时针,图中的电压表指针将向右偏斜。

当两个结点温度相同时,电子转移的速率相同,两端处于电势平衡状态,回路中则不会出现电流。

另外,对于相同的导体,当两端温度不同时,也会产生电势。高温端的电子能量要比低温端的电子能量高,电子将会从这个方向朝低温端转移,于是低温端电势更低。这种电势称为温差电势。

实际测得的热电势为:

热电势 = 温差电势 + 接触电势

在实际的测量中,温差电势比接触电势小很多,一般可以略去不考虑。这样,对于一个由不同金属构成的回路,当其中一端的温度固定为T0时,测得的电势将只与另一端的温度有关。

对于实际的测试,我们知道,我们很难保证参考端的温度恒定。比如,测试某板卡上内存颗粒的温度时,室内温度有可能是20℃,也有可能是25℃,甚至,有时候整个模块都会放置到温箱中去。这样,冷端的温度将处于千变万化之中。对于这一问题,常用的热电偶测试仪器是采用如下方法进行破除的。

首先,热电偶测温原理中有一条中间温度定律。定律内容是:

热电偶AB在结点温度为T、T0是的热电势Eab(T,T0)等于热电偶AB在结点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势的代数和:

Eab(T,T0) = Eab)(T,Tc) + Eab(Tc,T0)

 

这样,当参考端温度不为零时,可以依照这一规律来进行修正。

电路内部,存在如下图所示意的一个补偿电桥。其基本思想是,补偿电桥与参考端处于同一温度下,补偿电桥中的电阻将会随温度的变化而变化,由此产生电势的变化。经过一定的电阻匹配性设计,这种电势的变化,恰好可以补偿参考端温度变化引起的电势改变。于是,参考端温度的变化就被充分考虑在内了。

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2.2非接触式测温

优点:

  1. 具有较高的测温上限;
  2. 热惯性小,可达千分之一秒,故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度;
  3. 可以获得一整个面的温度分布,便于发现可能存在的不被注意的点。

缺点:

  1. 精度不如接触式测试;
  2. 需要知道表面发射率,才能正确测温;
  3. 对于不裸露在外的表面,较难测量。

当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波。其中就包含了波段位于0. 75~100μm 的红外线——工业用红外测温仪的工作波长在0.65微米至14微米范围内——红外测温仪就是利用这一原理制作而成的。

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物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温所依据的理论原理。

红外测温仪是非接触式测温最常用的仪器。操作使用非常便捷。

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热测试在电子产品热设计中具有不可替代的作用,且涉及的学科众多,有许多研究,专攻此门。

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