快捷及准确的汽车电子控制单元电路板温度测量与分析法

杨文士

(延锋百利得(上海)汽车安全系统有限公司，上海 201315)

快捷及准确的汽车电子控制单元电路板温度测量与分析法

杨文士

(延锋百利得(上海)汽车安全系统有限公司，上海 201315)

介绍结合热电偶及热成像仪优点而形成的一种混合温度测量法，对测量步骤、数据及图像处理作了详细描述。此测量法具有快捷、准确度高等优点。

热电偶；热成像仪；混合温度测量法

0 引言

电子产品电路板上电子元器件工作时会释放热量，由于热阻的存在，电子器件本体温度高于环境温度，随着环境温度升高电子器件本体温度也会升高。在规定的环境温度范围内，如果一个或小部分电子元器件本体温度超出规定的极限值，器件失效率会急剧上升，器件寿命也大幅下降，从而使电子产品寿命无法满足应用需求；还可能导致损坏或燃烧现象,使电子产品部分或整个功能失效。对于汽车主、被动安全相关电子控制单元，确保每一个电子器件都工作在安全的温度范围内变得尤为重要。常用的测量电路板上电子器件表面温度的方法主要有热电偶法、红外测温法等。它们有各自的优缺点，文中将介绍综合它们优点而产生的一种混合温度测量方法。

1 常用温度测量方法比较

热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,然后通过仪表转换成温度值。此方法具有结构简单、测量范围广、精度高、适合物体内部或存在障碍物时的温度测量等优点。这是一种直接接触测量方法，需要用导热胶将热电偶测量端粘贴于被测物体表面，这样会引入额外的外界干扰，影响测量结果准确性。如要测量电路板上所有电子器件温度，工作量非常大，测量时间长。

热成像仪、红外点温计接收物体自身发射出的不可见红外能量，通过仪器内部的光学系统汇聚其视场内目标的红外辐射能量，然后在光电探测器上将红外辐射能量转换为相应的电信号，再转换为被测目标的温度值并显示在显示屏上。此方法测量范围广、采集数据快，同时它是一种非接触式测量，不需要接触被测物体的表面，这样就不会干扰被测物体的状态；缺点是被测物体的发射率、测量距离及角度、环境因素影响(如环境温度、空气中的灰尘等)、光亮或者抛光的金属表面都会影响测量精度，而且只能测量物体外表面温度，不方便测量物体内部或存在障碍物时的温度，测量精度低于热电偶。热成像仪与红外点温计相比，前者能更快捷地测量一定面积内所有物体表面温度。

将上述的热电偶及热成像仪测温法结合起来可形成一种混合温度测量法，此方法兼具热成像仪的快捷性及热电偶的高准确性，便于评估PCB( Printed Circuit Board)及其上所有电子器件的温度是否超出允许的最大工作温度值。

2 混合温度测量法原理

热成像仪测量精度比热电偶稍低，但它能一次性地、快速地测量一定面积内物体表面全部位置点的温度，而一对热电偶线只能测量一个位置点的温度，需要很多对热电偶线去测量物体表面不同位置点的温度。混合温度测量法将这两种测量法结合起来，其基本原理是先在PCB上选取一个远离功率器件、温度较低的位置点，用导热胶将一对热电偶的测量端粘贴于此点作为基准温度点，待PCBA(Printed Circuit Board Assembly)温度恒定后，用热成像仪快速地测量整个PCBA的温度而得到热分布图，同时记录此刻热电偶测得的基准点温度，然后通过热成像仪制造商提供的软件读取基准点的温度，算出两种方法测得基准点温度的差值，以热电偶测得值作为准确值，这样可知热成像仪的相对误差值。热分布图上任一种颜色对应一个温度范围，可根据电子器件所处的位置得知它所在温度范围，加上或减去相对误差值便可计算出此点的准确温度值，这样就可方便地评估所有电子器件是否工作在安全温度范围内。

3 测量步骤

3.1 准备装PCBA的容器

通常用金属或塑料外壳将PCBA保护起来，防止或降低外界因素干扰。由于外壳具有一定隔热作用，使得外壳内空气温度高于外壳外空气温度。为了尽可能地测得与实际工作情况相近的电子器件温度值，需要将PCBA装入容器内后再测量温度。容器可以用实际产品的外壳，如由于某些原因，实际产品的外壳不便于用于此混合温度测量法，可选用和实际产品外壳的材料、尺寸相近的容器代替。将所需的电源、信号线接入到容器内部并与PCBA连接。

3.2 固定热电偶测量端

在PCBA上选取距离功率器件较远、周围器件少的基准温度点后，用导热胶将一对热电偶线的测量端粘贴于此点并确保测量端充分地与PCB表面接触良好。如PCBA正反面都贴装有电子器件，则需在两面各选取一个基准温度点。用另一对热电偶线测量容器内部空气的温度并使它的测量端位置不变动，根据它测得的温度和温箱设定的温度可算出容器内、外温度差。

3.3 将PCBA表面涂上油漆

用热成像仪测量温度时需要设定被测物体的发射率，大部分物质的发射率都小于1且不同物质的发射率存在差异，而黑体的发射率等于1。由于PCBA上器件材质不相同，因此发射率不同，需要用黑色的、不反光的油漆涂于PCBA表面使之成为黑体，待油漆凝固后再上电测量温度。将热成像仪发射率设定为1，此条件下测得的油漆表面温度即为器件的真实表面温度。涂上黑色油漆的PCBA示例如图1所示。

图1 涂上黑色油漆的PCBA示例

3.4 测量温度

将涂上黑漆的PCBA装入容器内并放入设定温度为室温(20 ℃)的温箱内，PCBA待测面朝向观察者眼睛方向并与水平面垂直以便用热成像仪捕捉热分布图，上电，确认被测PCBA正常工作于最大负载后将容器上盖合上。通常工作2 h后温度趋于稳定，将热成像仪发射率参数值设定为1，迅速打开温箱门及容器上盖后，用热成像仪快速地捕捉整个PCBA的热分布图，同时记录此时热电偶测得的温度值。如果PCBA的双面都贴装有电子器件，需要按前面步骤再测量另一面的热分布图。热分布图示例如图2所示。

图2 热分布图示例

图2左下角圆圈内为基准温度点，即热电偶测量端粘贴位置点。热分布图的最小值与最大值之间差值被平均分成11个梯度，一种颜色对应一个温度梯度，每一个梯度对应的温度范围值见表1，根据器件所在位置对应颜色便可判断它所处温度范围。

表1 颜色与温度范围对应关系表

4 数据及图像处理

4.1 合成图像

热成像仪捕捉到的原始热分布图不能清楚显示出器件外形，因此不便于查找某个电子器件对应的温度。将PCB上器件布局图(如图3所示)与热分布图通过Photoshop图像处理软件合并后可解决此问题，合并后的示例图如图4所示。

图3 电子器件布局图

图4 器件布局与热分布图的合成图

4.2 数据处理

将基准温度点的热电偶测量值与热成像仪测量值之间差值的绝对值记为ΔT。在计算某个电子器件的准确温度时，如果基准温度点的热电偶测量值比热成像仪测量值大，需要将所有温度梯度的上、下限温度值加上ΔT；反之，如果基准温度点的热电偶测量值比热成像仪测量值小，需要将所有温度梯度的上、下限温度值减去ΔT。

图2所示的热分布图是在室温(20 ℃)条件下测得，当环境温度升高或降低时，可通过加或减去变化后的环境温度与室温之间差值来估算出器件在变化后的环境温度下对应的温度值，以用于评估器件寿命及可靠性。

5 结束语

文中所介绍的混合温度测量法具有快捷、准确度高等特点，不仅可用于汽车行业电子控制单元的电路板温度测量，还可用于其他行业的电子及非电子产品的温度测量。根据热分布图能快速地找出温度较高的电子器件或位置点，便于进一步对它们进行评估，以确定是否工作于安全温度范围内；同时设计者很容易知道发热量大的区域，通过更改设计以优化产品热分布及散热能力，提高产品寿命及可靠性。

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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

杨文士,男，本科，在消费电子及汽车行业从事电子产品硬件开发工作。E-mail:chidao1111@sina.com。