楊文士

(延鋒百利得(上海)汽車安全系統(tǒng)有限公司，上海 201315)

快捷及準(zhǔn)確的汽車電子控制單元電路板溫度測(cè)量與分析法

楊文士

(延鋒百利得(上海)汽車安全系統(tǒng)有限公司，上海 201315)

介紹結(jié)合熱電偶及熱成像儀優(yōu)點(diǎn)而形成的一種混合溫度測(cè)量法，對(duì)測(cè)量步驟、數(shù)據(jù)及圖像處理作了詳細(xì)描述。此測(cè)量法具有快捷、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

熱電偶；熱成像儀；混合溫度測(cè)量法

0 引言

電子產(chǎn)品電路板上電子元器件工作時(shí)會(huì)釋放熱量，由于熱阻的存在，電子器件本體溫度高于環(huán)境溫度，隨著環(huán)境溫度升高電子器件本體溫度也會(huì)升高。在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，如果一個(gè)或小部分電子元器件本體溫度超出規(guī)定的極限值，器件失效率會(huì)急劇上升，器件壽命也大幅下降，從而使電子產(chǎn)品壽命無(wú)法滿足應(yīng)用需求；還可能導(dǎo)致?lián)p壞或燃燒現(xiàn)象,使電子產(chǎn)品部分或整個(gè)功能失效。對(duì)于汽車主、被動(dòng)安全相關(guān)電子控制單元，確保每一個(gè)電子器件都工作在安全的溫度范圍內(nèi)變得尤為重要。常用的測(cè)量電路板上電子器件表面溫度的方法主要有熱電偶法、紅外測(cè)溫法等。它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，文中將介紹綜合它們優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種混合溫度測(cè)量方法。

1 常用溫度測(cè)量方法比較

熱電偶是一種感溫元件,它直接測(cè)量溫度,并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),然后通過(guò)儀表轉(zhuǎn)換成溫度值。此方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、精度高、適合物體內(nèi)部或存在障礙物時(shí)的溫度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。這是一種直接接觸測(cè)量方法，需要用導(dǎo)熱膠將熱電偶測(cè)量端粘貼于被測(cè)物體表面，這樣會(huì)引入額外的外界干擾，影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。如要測(cè)量電路板上所有電子器件溫度，工作量非常大，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。

熱成像儀、紅外點(diǎn)溫計(jì)接收物體自身發(fā)射出的不可見紅外能量，通過(guò)儀器內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的紅外輻射能量，然后在光電探測(cè)器上將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為被測(cè)目標(biāo)的溫度值并顯示在顯示屏上。此方法測(cè)量范圍廣、采集數(shù)據(jù)快，同時(shí)它是一種非接觸式測(cè)量，不需要接觸被測(cè)物體的表面，這樣就不會(huì)干擾被測(cè)物體的狀態(tài)；缺點(diǎn)是被測(cè)物體的發(fā)射率、測(cè)量距離及角度、環(huán)境因素影響(如環(huán)境溫度、空氣中的灰塵等)、光亮或者拋光的金屬表面都會(huì)影響測(cè)量精度，而且只能測(cè)量物體外表面溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部或存在障礙物時(shí)的溫度，測(cè)量精度低于熱電偶。熱成像儀與紅外點(diǎn)溫計(jì)相比，前者能更快捷地測(cè)量一定面積內(nèi)所有物體表面溫度。

將上述的熱電偶及熱成像儀測(cè)溫法結(jié)合起來(lái)可形成一種混合溫度測(cè)量法，此方法兼具熱成像儀的快捷性及熱電偶的高準(zhǔn)確性，便于評(píng)估PCB( Printed Circuit Board)及其上所有電子器件的溫度是否超出允許的最大工作溫度值。

2 混合溫度測(cè)量法原理

熱成像儀測(cè)量精度比熱電偶稍低，但它能一次性地、快速地測(cè)量一定面積內(nèi)物體表面全部位置點(diǎn)的溫度，而一對(duì)熱電偶線只能測(cè)量一個(gè)位置點(diǎn)的溫度，需要很多對(duì)熱電偶線去測(cè)量物體表面不同位置點(diǎn)的溫度。混合溫度測(cè)量法將這兩種測(cè)量法結(jié)合起來(lái)，其基本原理是先在PCB上選取一個(gè)遠(yuǎn)離功率器件、溫度較低的位置點(diǎn)，用導(dǎo)熱膠將一對(duì)熱電偶的測(cè)量端粘貼于此點(diǎn)作為基準(zhǔn)溫度點(diǎn)，待PCBA(Printed Circuit Board Assembly)溫度恒定后，用熱成像儀快速地測(cè)量整個(gè)PCBA的溫度而得到熱分布圖，同時(shí)記錄此刻熱電偶測(cè)得的基準(zhǔn)點(diǎn)溫度，然后通過(guò)熱成像儀制造商提供的軟件讀取基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度，算出兩種方法測(cè)得基準(zhǔn)點(diǎn)溫度的差值，以熱電偶測(cè)得值作為準(zhǔn)確值，這樣可知熱成像儀的相對(duì)誤差值。熱分布圖上任一種顏色對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度范圍，可根據(jù)電子器件所處的位置得知它所在溫度范圍，加上或減去相對(duì)誤差值便可計(jì)算出此點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度值，這樣就可方便地評(píng)估所有電子器件是否工作在安全溫度范圍內(nèi)。

3 測(cè)量步驟

3.1 準(zhǔn)備裝PCBA的容器

通常用金屬或塑料外殼將PCBA保護(hù)起來(lái)，防止或降低外界因素干擾。由于外殼具有一定隔熱作用，使得外殼內(nèi)空氣溫度高于外殼外空氣溫度。為了盡可能地測(cè)得與實(shí)際工作情況相近的電子器件溫度值，需要將PCBA裝入容器內(nèi)后再測(cè)量溫度。容器可以用實(shí)際產(chǎn)品的外殼，如由于某些原因，實(shí)際產(chǎn)品的外殼不便于用于此混合溫度測(cè)量法，可選用和實(shí)際產(chǎn)品外殼的材料、尺寸相近的容器代替。將所需的電源、信號(hào)線接入到容器內(nèi)部并與PCBA連接。

3.2 固定熱電偶測(cè)量端

在PCBA上選取距離功率器件較遠(yuǎn)、周圍器件少的基準(zhǔn)溫度點(diǎn)后，用導(dǎo)熱膠將一對(duì)熱電偶線的測(cè)量端粘貼于此點(diǎn)并確保測(cè)量端充分地與PCB表面接觸良好。如PCBA正反面都貼裝有電子器件，則需在兩面各選取一個(gè)基準(zhǔn)溫度點(diǎn)。用另一對(duì)熱電偶線測(cè)量容器內(nèi)部空氣的溫度并使它的測(cè)量端位置不變動(dòng)，根據(jù)它測(cè)得的溫度和溫箱設(shè)定的溫度可算出容器內(nèi)、外溫度差。

3.3 將PCBA表面涂上油漆

用熱成像儀測(cè)量溫度時(shí)需要設(shè)定被測(cè)物體的發(fā)射率，大部分物質(zhì)的發(fā)射率都小于1且不同物質(zhì)的發(fā)射率存在差異，而黑體的發(fā)射率等于1。由于PCBA上器件材質(zhì)不相同，因此發(fā)射率不同，需要用黑色的、不反光的油漆涂于PCBA表面使之成為黑體，待油漆凝固后再上電測(cè)量溫度。將熱成像儀發(fā)射率設(shè)定為1，此條件下測(cè)得的油漆表面溫度即為器件的真實(shí)表面溫度。涂上黑色油漆的PCBA示例如圖1所示。

圖1 涂上黑色油漆的PCBA示例

3.4 測(cè)量溫度

將涂上黑漆的PCBA裝入容器內(nèi)并放入設(shè)定溫度為室溫(20 ℃)的溫箱內(nèi)，PCBA待測(cè)面朝向觀察者眼睛方向并與水平面垂直以便用熱成像儀捕捉熱分布圖，上電，確認(rèn)被測(cè)PCBA正常工作于最大負(fù)載后將容器上蓋合上。通常工作2 h后溫度趨于穩(wěn)定，將熱成像儀發(fā)射率參數(shù)值設(shè)定為1，迅速打開溫箱門及容器上蓋后，用熱成像儀快速地捕捉整個(gè)PCBA的熱分布圖，同時(shí)記錄此時(shí)熱電偶測(cè)得的溫度值。如果PCBA的雙面都貼裝有電子器件，需要按前面步驟再測(cè)量另一面的熱分布圖。熱分布圖示例如圖2所示。

圖2 熱分布圖示例

圖2左下角圓圈內(nèi)為基準(zhǔn)溫度點(diǎn)，即熱電偶測(cè)量端粘貼位置點(diǎn)。熱分布圖的最小值與最大值之間差值被平均分成11個(gè)梯度，一種顏色對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度梯度，每一個(gè)梯度對(duì)應(yīng)的溫度范圍值見表1，根據(jù)器件所在位置對(duì)應(yīng)顏色便可判斷它所處溫度范圍。

表1 顏色與溫度范圍對(duì)應(yīng)關(guān)系表

4 數(shù)據(jù)及圖像處理

4.1 合成圖像

熱成像儀捕捉到的原始熱分布圖不能清楚顯示出器件外形，因此不便于查找某個(gè)電子器件對(duì)應(yīng)的溫度。將PCB上器件布局圖(如圖3所示)與熱分布圖通過(guò)Photoshop圖像處理軟件合并后可解決此問題，合并后的示例圖如圖4所示。

圖3 電子器件布局圖

圖4 器件布局與熱分布圖的合成圖

4.2 數(shù)據(jù)處理

將基準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱電偶測(cè)量值與熱成像儀測(cè)量值之間差值的絕對(duì)值記為ΔT。在計(jì)算某個(gè)電子器件的準(zhǔn)確溫度時(shí)，如果基準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱電偶測(cè)量值比熱成像儀測(cè)量值大，需要將所有溫度梯度的上、下限溫度值加上ΔT；反之，如果基準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱電偶測(cè)量值比熱成像儀測(cè)量值小，需要將所有溫度梯度的上、下限溫度值減去ΔT。

圖2所示的熱分布圖是在室溫(20 ℃)條件下測(cè)得，當(dāng)環(huán)境溫度升高或降低時(shí)，可通過(guò)加或減去變化后的環(huán)境溫度與室溫之間差值來(lái)估算出器件在變化后的環(huán)境溫度下對(duì)應(yīng)的溫度值，以用于評(píng)估器件壽命及可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中所介紹的混合溫度測(cè)量法具有快捷、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，不僅可用于汽車行業(yè)電子控制單元的電路板溫度測(cè)量，還可用于其他行業(yè)的電子及非電子產(chǎn)品的溫度測(cè)量。根據(jù)熱分布圖能快速地找出溫度較高的電子器件或位置點(diǎn)，便于進(jìn)一步對(duì)它們進(jìn)行評(píng)估，以確定是否工作于安全溫度范圍內(nèi)；同時(shí)設(shè)計(jì)者很容易知道發(fā)熱量大的區(qū)域，通過(guò)更改設(shè)計(jì)以優(yōu)化產(chǎn)品熱分布及散熱能力，提高產(chǎn)品壽命及可靠性。

[1]李云紅,孫曉剛,原桂彬.紅外熱像儀精確測(cè)溫技術(shù)[J].光學(xué)精密工程,2007,15(9):1336-1341. LI Y H,SUN X G,YUAN G B.Accurate Measuring Temperature with Infrared Thermal Imager[J].Optics and Precision Engineering,2007,15(9):1336-1341.

[2]楊立.紅外熱像儀測(cè)溫計(jì)算與誤差分析[J].紅外技術(shù),1999(4):20-24. YANG L.Calculation and Error Analysis of Temperature Measurement Using Thermal Imager[J].Infrared Technology,1999(4):20-24.

[3]張健.熱電偶法測(cè)量溫升的主要影響因素和測(cè)量不確定度的計(jì)算方法[J].安全與電磁兼容,2004(5):36-37. ZHANG J.The Main Influencing Factors for the Tolerance of Temperature Rise Test with Thermocouples and Its Uncertainty of Measurement Calculation[J].Safety & EMC,2004(5):36-37.

FastandAccurateTemperatureTestandAnalysisMethodforAutomotiveECUPCBA

YANG Wenshi

(Yanfeng KSS(Shanghai) Automotive Safety Systems Co.,Ltd.,Shanghai 201315,China)

A mixed temperature test method that combining the advantages of thermocouple with thermal imager was introduced. The test steps, data and image processing of the method were described. This test method has advantages of fast and high accuracy.

Thermocouple; Thermal imager; Mixed temperature test method

TH811

B

1674-1986(2017)09-077-03

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.019

2017-05-09

楊文士,男，本科，在消費(fèi)電子及汽車行業(yè)從事電子產(chǎn)品硬件開發(fā)工作。E-mail:chidao1111@sina.com。