PCB 設計により電圧リファレンスの熱ヒステリシスが発生しますか?

PCB 設計により電圧リファレンスの熱ヒステリシスが発生しますか?

PCB レイアウトに基準電圧を配置する必要がある場合は常に、温度変動や外部ノイズに対して非常に安定している必要があります。 基準電圧源のドリフトは、一部の高精度測定システム、高精度電圧レギュレータ、および高分解能コンバータでは許容できない小さな電圧誤差を生成します。 基準電圧回路には、温度サイクルが基準電圧にどのように影響するかを定義する特定の量があり、これは熱ヒステリシスと呼ばれます。

半導体コンポーネントの場合、熱ヒステリシスは、半導体デバイスの平面構造のみが原因で避けられません。 熱ヒステリシスを完全に防ぐことはできませんが、製品を最終環境に配置する前に、適切な PCB の取り付けと電気的テストを実行することで抑えることができます。 これが熱ヒステリシスの原因であり、新しいソリューションの展開を準備するときにそれを排除する方法です。

熱ヒステリシスとは何ですか?

技術的には、いくつかの変数またはシステム パラメータ (温度および温度に応じて変化する量を含む) の変化により、物理的に測定できる量は、測定プロセス中にヒステリシスを示します。 一般に、熱ヒステリシスは、不凍タンパク質/糖タンパク質を含む溶液中の氷の結晶の凝固点と融点を分離することによって議論されます。 溶解温度が限界値の間を循環するにつれて、凝固温度と融解温度がわずかに変化します。 概念的には、熱ヒステリシスはヒステリシスと比較できます。ヒステリシスでは、循環磁場が残留磁化をいくらか残します。

回路の熱ヒステリシス

電子製品では、基準電圧の精度を表すために熱ヒステリシスが使用されます。 これらは、他の回路での電圧測定の安定した比較を提供するために使用される精密な回路および機器です。 基準電圧を安定させるために必要な回路とコンポーネントは次のとおりです。

アナログからデジタルへのコンバーター (ADC) とデジタルからアナログへのコンバーター (DAC): これら 2 つの回路は、基準電圧を使用して量子化値を設定します。

低ドロップアウト (LDO) レギュレータ: リファレンス電圧は、レギュレータの出力電圧が低くなりすぎたことを検出するエラー アンプの入力として使用されます。 次に、エラー アンプが MOSFET を変調して、出力電圧を目的の値に補正します。

コンパレータ: 基準電圧源は、コンパレータの高しきい値と低しきい値、およびそのスイッチング ヒステリシスの基礎を提供します。 これは、バッテリ、ツェナー ダイオード、またはシリコン バンドギャップ リファレンス ソースによって提供できます。

正式な定義

熱ヒステリシスの形式は、動作温度範囲全体でのデバイスのサイクル前後の周囲温度 (+25 ° C) での出力電圧の変化として正式に定義されています。 基準電圧回路の熱ヒステリシスは、通常 ppm/° C で測定されます。 基準電圧回路の出力電圧の永久的な変化。

デバイスが低温定格と高温定格の間を循環する場合 (たとえば、多くのコンポーネントの温度範囲は - 40 ° C ～ 125 ° C です)、出力の合計変化は、標準的なバンドギャップ基準電圧で約 1 mV に達する可能性があります。 回路。 PCB に正しく取り付けられた高精度回路のヒステリシス値は、動作温度範囲全体で 105 ppm まで低くすることができます。 回路の温度が一定のままであっても、これらの回路では長期的なドリフトが発生する可能性があることに注意してください。

熱ヒステリシスの原因は何ですか?

熱ヒステリシスは、温度サイクル中に半導体チューブのコアに蓄積された機械的応力によって引き起こされます。 応力の分布とデバイスから応力を解放する方法は、チップが以前に高温または低温にあったかどうか、およびデバイス内の過去の応力履歴によって異なります。 熱の膨張と収縮により、応力が蓄積し、ダイのさまざまな場所で固化します。

基準電圧回路を備えた機器が生産ラインから外れると、通常、標準的な環境条件下で短いテストが行われます。 次に何が起こるかによって、半導体ダイに圧力がかかり、基準電圧回路の出力が次のように変化する可能性があります。

パッケージング中の加熱と冷却: 金型をパッケージに配置するときは、高温のエポキシ パッケージに入れます。 次にパッケージを冷却し、周囲温度に戻します。 この過程で、金型に応力が蓄積されます。

組み立て中の溶接: ウェーブはんだ付けでは、機器を高温に加熱し、一定期間維持する必要があります。 冷却後、いくらかの応力が金型に蓄積されます。 手溶接では、大きな応力が蓄積するほど装置全体が加熱されることはありません。

動作中の加熱: 機器が PCB で動作する場合、温度は必然的に変化します。 基板上の他の部品や外部環境から基準電圧回路に熱が流れる場合があります。

熱ヒステリシスを起こしやすい部品の周囲にノッチを配置することは、部品の下の基板の剛性を高める方法です。 また、デバイスは PCB 基板の中心から離して配置してください。 どちらの方法も、応力の蓄積と熱ヒステリシスを低減することが実験によって証明されています。

プレートのエッジは、熱ヒステリシスによる出力電圧の変化を防ぐために、固い取り付け面を提供します。

最後に、ダイのストレスを軽減し、基準電圧回路を強制的に長期出力に安定させるために、組み立てられた PCB の動作中に回路を繰り返しサイクルさせることができます。 これには複数のサイクルが必要になる場合がありますが、一部のコンポーネント メーカーによる基準電圧の測定では、サイクルを繰り返した後、ヒステリシス ウィンドウが時間とともに減少することが示されています。 PCB 処理工場は、PCB 設計によって引き起こされる電圧リファレンスの熱ヒステリシス、および熱ヒステリシスとは何かを説明しました。