CN201557323U - 一种给pcb上器件加热的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种给PCB上器件加热的结构，包括：PCB，所述PCB包括至少一个加热区域，所述加热区域用于安装需加热器件，还包括加热导线、温度传感器和控制器；所述加热导线，设置于所述加热区域，一端与输入电源连接，另一端与接地端连接；所述温度传感器，用于检测加热区域的温度；所述控制器，分别与所述温度传感器和所述加热导线连接，用于当所述温度传感器检测到所述温度低于某一阈值时，控制所述加热导线导电以产生热量，给所述加热区域加热，当温度高于设定阈值以后，停止给所述加热导线供电以停止对所述加热区域加热。本实用新型提高了加热效率，并增强了加热的可靠性。

Description

一种给PCB上器件加热的结构

技术领域

本实用新型涉及电路板设计技术领域，尤其涉及一种给PCB上器件加热的结构。

背景技术

低温度规格的设备的最低工作温度需要达到-40℃甚至更低，但是由于设备内部的某些电子元件不能在低温下正常工作，使得整个设备在低温下可能无法正常工作。因此，需要给设备中单板上的电子元件加热，以保证设备在低温下可以正常启动并良好工作，也可以用于防止PCB(Printed CircuitBoard，印制电路板)上产生凝露或潮湿。

现有技术一为通过设备外部安装的加热装置给被加热器件加热，例如使用的加热装置为加热膜，如图1所示，被加热器件110位于PCB120上，PCB120底面设有加热膜130，且加热膜130位于散热铝块140上。给加热膜130加一定的电压后，加热膜130可以直接散发出热量。当环境温度较低时，通过安装在PCB上的温度传感器检测环境温度，当检测到的温度值低于某一温度时，加热膜130开启加热功能，开始给PCB120加热，间接给被加热器件110加热，保证设备能够正常工作。图2给出了加热过程中，热量的传递路线。

然而，现有技术一具有以下缺点：

1)加热膜本身贴在射频电路下方，加热膜自身热阻较大，阻碍了射频电路高温环境下的散热通路，不利于射频电路高温下的散热；

2)加热膜需要单独安装，并需要提供专门的供电插座进行单独供电，增加了设备的复杂度；

3)加热膜可拆卸，增加了潜在的故障率，降低了设备的可靠性。

现有技术二如图3所示，通过PCB330上安装的功率电阻320给被加热器件310加热：通过PCB330上的温度传感器检测温度，当环境温度低于某一值时，给功率电阻320一定电压后，功率电阻320会有热量放出，热量通过PCB330给被加热器件310加热。其中，功率电阻320产生的热量传递如图4所示，需先通过PCB330上过孔350传到内部铜层340上，然后由内部铜层340导给被加热器件310。

然而，现有技术二具有以下缺点：

1)加热效率低。功率电阻工作时，传热路径长，同时过孔处有导热瓶颈存在，使得只有部分热量传给PCB，这些热量只有部分传递到被加热器件，较多的热量发散到环境中去；

2)加热用的功率电阻可能会影响被加热器件性能。当被加热器件功能复杂时，周围会有大量的辅助器件，如滤波电容、电阻等，加热用的功率电阻会影响辅助器件的布局，从而影响到被加热器件的性能；

3)使用较多功率电阻时，增加了PCB布线的复杂度，降低了设备的可靠性，增加了成本。

实用新型内容

本实用新型提供了一种给PCB上器件加热的结构，以提高加热效率，并增强加热方案的可靠性。

本实用新型提供了一种给PCB上器件加热的结构，包括：PCB，所述PCB包括至少一个加热区域，所述加热区域用于安装需加热器件，其特征在于，还包括加热导线、温度传感器和控制器；

所述加热导线，设置于所述加热区域，一端与输入电源连接，另一端与接地端连接；

所述温度传感器，用于检测加热区域的温度；

所述控制器，分别与所述温度传感器和所述加热导线连接，用于当所述温度传感器检测到所述温度低于某一阈值时，控制所述加热导线导电以产生热量，给所述加热区域加热，当温度高于设定阈值以后，停止给所述加热导线供电以停止对所述加热区域加热。

优选地，所述加热导线绕设于所述加热区域。

优选地，还包括：

第一开关，连接所述加热导线一端和所述输入电源，用于根据所述控制器发送的信号，控制所述加热导线的导通或断开。

优选地，还包括：

第二开关，连接所述加热导线一端和所述和接地端，用于根据所述控制器发送的信号，控制所述加热导线的导通或断开。

优选地，

所述加热导线位于PCB表层和/或内层。

优选地，所述加热导线位于PCB表层时，所述加热导线与所述需加热器件不接触。

优选地，

所述加热导线为一条；或

所述加热导线为至少有两条。

优选地，所述所述加热导线为至少有两条时，还包括与所述加热导线数量对应的开关，分别用于根据所述控制器发送的信号，控制对应的加热导线导通或断开。

优选地，所述至少有两条加入导线平行分布或分区域分布。

优选地，

所述加热导线包括铜线、铝线、或其它可用作加热体的导线。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1，本实用新型加热效率高，加热用的导线与被加热器件距离很短，且不存在过孔之类的导热瓶颈；

2，本实用新型加热面积大，加热均匀，温度梯度小；

3，本实用新型加热方式灵活，可同时给PCB上多点加热，可通过线长和线宽灵活控制每点的加热功耗；

4，本实用新型在提供加热方案的同时，不会影响被加热器件高温时的散热；并且加热成本低，可靠性高。

附图说明

图1是现有技术中器件加热装置示意图；

图2是现有技术中器件加热过程示意图；

图3是现有技术中功率电阻加热顶视图；

图4是现有技术中功率电阻加热PCB截面图；

图5是本实用新型中PCB板加热方案顶视图；

图6是本实用新型中PCB板加热方案截面图；

图7是本实用新型中带备份加热的PCB板加热方案顶视图；

图8是本实用新型中多个区域同时加热的PCB板加热方案顶视图。

具体实施方式

本实用新型中，在PCB需要加热的部位(如低温性能差的器件位置)，设置加热体，并在PCB表面增加温度传感器。该加热体为PCB内部和/或表面铺的加热导线，通过控制被加热器件局部导线的截面积和长度，得到不同的加热功率，给器件加热。当温度传感器检测到环境温度低于某一阈值时，使加热控制开关导通，使导线导电产生热量，给被加热部位加热，当温度高于设定阈值以后，使加热开关断开，停止给被加热部位加热。

本实用新型中，一个具体实施例如图5所示，PCB520上包括加热区域510，在加热区域510的PCB表层(顶层)或内层均匀铺设的铜线550，本实用新型可以将加热导线绕设在加热区域510，例如环形绕设或蛇形绕设等；另外，加热导线可以只铺设于PCB表层，也可以只铺设于PCB内层，对于铺设于PCB表层的情况，加热导线与被加热器件不接触；铜线550的一端通过开关540(第一开关)与输入电源VCC连接，另一端与接地端GND连接(当然也可以设置在接地端一侧的第二开关)，保证第一开关540接通时，铜线550正常导电。另外，PCB表层设置温度传感器530，与开关540直接连接或通过控制电路(例如CPU)与第一开关540连接，用于检测环境温度。当温度传感器530检测到环境温度低于某一阈值(例如需加热器件的正常工作温度)时，使加热控制开关540导通，使铜线550导电产生热量，给被加热部位510加热；当温度高于设定阈值以后，使第一开关540断开，停止给被加热部位510加热。其中，在PCB板内层铺设铜线的加热方案截面图如图6所示。

本实用新型通过控制被加热器件局部铜线的截面积和长度，得到铜线不同的加热功率，下面结合具体参数阐述一下布线方案实施过程：

纯铜线在0℃时的电阻率是0.0175Ωmm2/m，电阻温度系数是0.00393/℃

ρ＝ρo(1+a*t)    (1)

其中，ρ表示在t摄氏度时的电阻率，ρo表示在0℃时的电阻率，t表示温度，a表示电阻温度系数。

例如，纯铜线在21℃度时的电阻率＝0.0175(1+0.00393*21)＝0.0189Ωmm2/m；因此可以由公式(1)计算出纯铜在不同温度下的电阻率。

假设导体长度为L，根据电阻定律，导体电阻为

R＝ρL/S    (2)

其中，L表示铜线的长度，S表示铜线的截面积，ρ表示电阻率；

由公式(2)可以计算出铜线在给定电阻率时，铜线为一定宽度时，铜线的厚度与长度的关系；

通过设计合适的铜线截面积和长度，可以得到铜线上设计加热功率；

假设PCB上被加热器件需要5W的热量给其加热，才能保证其低温下的性能。如果加热时铜线温度需要达到61℃，且加热供电电压为5V，铜层厚度为1.4mil，宽度20mil为已知，则需要盘绕的铜线长度可以通过以下公式获得：

在供电电压为5V时，要达到功率为5W，导线上的电阻R＝U/I＝5/5＝1Ω，

要达到1Ω的电阻的铜线需要的绕线长度L＝R*S/ρ＝1*0.038*0.508/(0.0189+0.00393*40)＝0.558m。

本实用新型中的加热导线可以使用上述一条的方案，也可以使用两条冗余设计，增强可靠性。例如，有两套加热导线的情况如图7所示，该两条加热导线可以平行分布。PCB760上包括加热区域710，在加热区域710的PCB表层(顶层)或内层均匀铺设盘绕的两组铜线720(一组作为主用，另一组作为备用)；在每组铜线720的一端分别通过开关740和750与输入电源VCC连接，另一端与接地端GND连接。另外，PCB表层设置温度传感器730，与开关740和750直接连接或通过控制电路连接。当需要加热时，开关740控制的加热铜线若发生故障，可以使开关750，使用备份的加热铜线进行加热。同理，可以增加两套以上加热电路。环境温度很低，单套加热不能满足加热要求时，可以根据需要开启备份加热电路，提高加热功率。

本实用新型中，当具有至少两条加热导线时，除了上述的冗余备份方案外，还可以通过控制导通加热导线的数量改变对需加热器件提供的加热量。例如，当某个需加热器件需要的增温不高时，可以根据所述控制器发送的信号，控制其中一条加热导线导通，使其为该需加热器件加热；当某个需加热器件需要的增温很高时，可以根据所述控制器发送的信号，控制其中所有加热导线导通，使其为该需加热器件加热。

本实用新型中，一组加热铜线也可以为多个需加热区域加热，具体如图8所示。PCB810上有两个需加热区域820和830，加热铜线840盘绕分别通过加热区域820和830，加热铜线840一端通过开关870与输入电源连接，另一端与接地端连接；加热区域820有温度传感器850，加热区域830有温度传感器860。当温度传感器850检测到加热区域820环境温度低于某一阈值时，或温度传感器860检测到加热区域830环境温度低于某一阈值时，使加热控制开关870导通，使铜线840导电产生热量，给被加热部位加热；当温度高于设定阈值以后，使加热开关870断开，停止给被加热部位加热。在同一单板上有多个同类型器件需要加热时，该方案很有优势，因此，可以对不同加热区域分别设置单独的加热电路，即独立的温度传感器、加热铜线和开关。

本实用新型中，加热区域可以根据需加热器件形状改变，例如矩形、圆形、梯形等等，当然加热铜线也可以根据需要进行盘绕，改变形状。

本实用新型可以使用铝线、或其它可用作加热体的导线替代上述铜线。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种给印制电路板PCB上器件加热的结构，包括：PCB，所述PCB包括至少一个加热区域，所述加热区域用于安装需加热器件，其特征在于，还包括加热导线、温度传感器和控制器；

所述加热导线，设置于所述加热区域，一端与输入电源连接，另一端与接地端连接；

所述温度传感器，用于检测加热区域的温度；

所述控制器，分别与所述温度传感器和所述加热导线连接，用于当所述温度传感器检测到所述温度低于某一阈值时，控制所述加热导线导电以产生热量，给所述加热区域加热，当温度高于设定阈值以后，停止给所述加热导线供电以停止对所述加热区域加热。

2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述加热导线绕设于所述加热区域。

3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：

第一开关，连接所述加热导线一端和所述输入电源，用于根据所述控制器发送的信号，控制所述加热导线的导通或断开。

4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：

第二开关，连接所述加热导线一端和所述接地端，用于根据所述控制器发送的信号，控制所述加热导线的导通或断开。

5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，

所述加热导线位于PCB表层和/或内层。

6.如权利要求5所述的结构，其特征在于，所述加热导线位于PCB表层时，所述加热导线与所述需加热器件不接触。

7.如权利要求1所述的结构，其特征在于，

所述加热导线为一条；或

所述加热导线为至少有两条。

8.如权利要求7所述的结构，其特征在于，所述加热导线为至少有两条时，还包括与所述加热导线数量对应的开关，分别用于根据所述控制器发送的信号，控制对应的加热导线导通或断开。

9.如权利要求7所述的结构，其特征在于，所述至少有两条加入导线平行分布或分区域分布。

10.如权利要求1至9中任一项所述的结构，其特征在于，

所述加热导线包括铜线、铝线、或其它可用作加热体的导线。

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