因此，電源管理也涉及熱管理，尤其是電源相關(guān)功能的散熱會(huì )如何影響散熱設計與熱量累積。此外，即使組件和系統都在規格范圍內持續工作，隨著(zhù)組件參數漂移，溫度的增加也會(huì )引起性能的變化。就算不是全盤(pán)崩潰，也會(huì )導致最終的系統故障。熱量還會(huì )縮短組件壽命，進(jìn)而縮短平均故障間隔時(shí)間，這也是保證長(cháng)期可靠性需要考慮的因素。

 

有兩個(gè)關(guān)于熱管理的觀(guān)點(diǎn)，設計人員必須了解：

 

●   “微觀(guān)”問(wèn)題，單個(gè)組件由于發(fā)熱過(guò)多而處于過(guò)熱危險中，但系統的其余部分（及其外殼）溫度在可接受范圍內。

 

●   “宏觀(guān)”問(wèn)題，由于多個(gè)來(lái)源的熱量累積而導致整個(gè)系統溫度過(guò)高。

 

一個(gè)設計挑戰是確定熱管理問(wèn)題有多少屬于微觀(guān)，多少屬于宏觀(guān)，以及微觀(guān)問(wèn)題與宏觀(guān)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)程度。很顯然，一個(gè)高溫組件甚至溫度超過(guò)了其允許的極限將會(huì )導致整個(gè)系統升溫，但這不一定意味著(zhù)整個(gè)系統都很熱。但是，這意味著(zhù)必須設法管理并減少該組件多余的熱量。

 

在討論熱管理和使用諸如“散熱”或“排熱”等詞時(shí)始終要牢記的一個(gè)問(wèn)題是：這些熱量要散到哪里去？憤世嫉俗的人可能會(huì )說(shuō)，設計師就是以鄰為壑，找到一個(gè)地方散熱，把自己的問(wèn)題變成別人的問(wèn)題。

 

雖然這個(gè)觀(guān)點(diǎn)的確有點(diǎn)憤世嫉俗，但也有一定的道理。這里的關(guān)鍵就是要把熱量發(fā)散到較冷的地方，以免對系統產(chǎn)生不利影響。這個(gè)地方可以是系統和機箱的相鄰部分，也可以完全在機箱外部（僅當外部比內部溫度低時(shí)才有可能）。另外還要記住熱力學(xué)的一個(gè)定律：除非使用某種主動(dòng)泵送機械，否則熱量只會(huì )從高溫位置向低溫位置傳遞。

 

熱管理解決方案

 

熱管理遵循物理學(xué)基本原理。在制冷模式下，熱傳導有三種方式：輻射、傳導和對流。（圖1）

 

圖1：熱傳遞有三種機制，特定情況下經(jīng)常是三種機制一起使用，只是使用程度不同（資料來(lái)源：Kmecfiunit/CC BY-SA 4.0）

 

最簡(jiǎn)單的說(shuō)法是：

 

●   輻射是指用電磁輻射（主要是紅外線(xiàn)）帶走熱量，這種熱傳遞可以發(fā)生在真空中。在大多數應用中，這都不是主要的冷卻途徑，但在太空真空中就是。在太空中，輻射是從宇宙飛船吸走熱量的唯一途徑。

●   傳導是通過(guò)固體或液體的熱量流動(dòng)，不過(guò)傳熱材料并不發(fā)生實(shí)際移動(dòng)（當然液體確實(shí)會(huì )流動(dòng)）。

●   對流是通過(guò)諸如空氣或水這樣的流體介質(zhì)攜帶熱量流動(dòng)。

 

對于大多數電子系統來(lái)說(shuō)，實(shí)現所需的冷卻是先以傳導的方式讓熱量離開(kāi)直接熱源，然后再以對流的方式將其傳遞到其他地方。設計上的挑戰是需要將各種熱管理硬件（即原始的非電子意義上的硬件）結合起來(lái)，以有效地實(shí)現所需的傳導和對流。

 

最常用的散熱元件有三種：散熱器、熱管和風(fēng)扇。散熱器和熱管是無(wú)需電源的無(wú)源冷卻系統，其還包括自然引發(fā)的傳導和對流方法。相比之下，風(fēng)扇是一種有源的強制風(fēng)冷系統。

 

先從散熱器開(kāi)始

 

散熱器是鋁或銅結構，可通過(guò)傳導作用從熱源獲取熱量，并將熱量傳到氣流（在某些情況下，傳到水或其他液體）中以實(shí)現對流。散熱器有數千種尺寸規格和形狀，從連接單個(gè)晶體管的小型沖壓金屬翅片（圖2）到具有許多可以攔截對流空氣流并將熱量傳輸到該氣流的翅片（指形）的大型擠壓件（圖3）。

 

圖2：用簡(jiǎn)單金屬片制成的Aavid Thermalloy 574502B00000G散熱片設計為滑動(dòng)到TO-220封裝晶體管上，具有21.2C/W的熱阻，尺寸大約10×22×19mm（資料來(lái)源：Aavid Thermalloy）

 

圖3：來(lái)自Cincom的這些較大型擠壓式多翅片散熱器（M-C308、M-C091、M-C092）專(zhuān)為較大型IC和模塊而設計，最小的尺寸約為60×60×20mm，最大的尺寸為60×110×25mm（資料來(lái)源：Cincom Electronics）

 

散熱器的優(yōu)點(diǎn)之一是沒(méi)有移動(dòng)部件，沒(méi)有運行成本，也沒(méi)有故障模式。一旦適當尺寸的散熱器連接到熱源，隨著(zhù)暖空氣上升，對流就會(huì )自然而然地發(fā)生，從而開(kāi)始并持續形成氣流。因此，在使用散熱器給熱源的入口和出口之間提供暢通的氣流時(shí)，這些優(yōu)點(diǎn)至關(guān)重要。而且，入口必須在散熱器的下方并且出口在上方；否則，熱空氣會(huì )停滯在熱源之上，從而使情況進(jìn)一步惡化。

 

盡管散熱器易于使用，但它也的確有一些負面影響。首先，傳熱量大的散熱器體積大、成本高、重量大。而且它們必須正確放置，因此會(huì )影響或限制電路板的物理布局。它們的翅片也可能被氣流中的灰塵堵塞，從而大大降低效率。它們必須正確連接到熱源上，以使熱量能夠暢通地從熱源流向散熱器。

 

由于散熱器在尺寸、配置以及其他因素上有非常豐富的選擇，剛開(kāi)始會(huì )使我們在選購時(shí)眼花繚亂。請注意，有許多通用散熱器以及針對特定集成電路（IC），例如特定處理器或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）型號的散熱器。

 

另外還有不是分立組件的散熱器。有些IC使用引腳或引線(xiàn)將熱量從其芯片和主體傳導到其PC板上，以此來(lái)起到散熱器的作用。還有一些IC在其封裝下有一個(gè)銅塞，當它被焊接到PC板上時(shí)，這個(gè)金屬塊可用于為芯片降溫。這是一種低成本而又有效的散熱方式，但是這得假定PC板其余部分溫度較低并且附近沒(méi)有其他組件也使用該板散熱。實(shí)際上，每個(gè)器件都試圖將多余的廢熱排放到鄰近區域，這是一場(chǎng)零和游戲。

 

添加熱管

 

熱管理套件的另一個(gè)重要器件是熱管（圖4）。這種無(wú)源組件接近于工程師所期望的“幾乎無(wú)成本”，因為它不需要任何形式的主動(dòng)強制機制就可以將熱量從A點(diǎn)傳送到B點(diǎn)。簡(jiǎn)而言之，熱管就是包含芯和工作流體的密封金屬管。熱管的作用是從熱源吸收熱量并將其傳送到較冷的區域，但它本身不作為散熱器。當熱源附近沒(méi)有足夠的空間放置散熱器或氣流不足時(shí)便可以使用熱管。熱管工作效率高，可以將熱量從源頭傳送到更便于管理的地方。

 

圖4：Wakefield-Vette（型號120231）的微型熱管尺寸僅為6mm×1.5mm，可傳輸最高達25W的熱負荷。（資料來(lái)源：Wakefield-Vette）

 

熱管是如何工作的？它的原理簡(jiǎn)單而巧妙：它實(shí)現了形態(tài)轉變，這是熱物理學(xué)的一個(gè)基本原理。熱源在密封管內將工作流體轉變成蒸汽，而蒸汽帶著(zhù)熱量傳遞到熱管的較冷端。在這一端，蒸氣冷凝成液體并釋放出熱量，而流體再返回到較熱端。這種氣-液形態(tài)轉變過(guò)程是連續運行的，并且僅由冷端和熱端的溫度差驅動(dòng)。

 

熱管有多種直徑和長(cháng)度，大部分的直徑大約在四分之一英寸到二分之一英寸之間，長(cháng)度在幾英寸到約一英尺之間。與水管一樣，直徑大的管道能傳送更多的熱量。在冷端連接散熱器或其他冷卻裝置可以解決氣流受阻的局部熱點(diǎn)的散熱問(wèn)題。

 

添加風(fēng)扇

 

最后還有風(fēng)扇（圖5），它標志著(zhù)拋開(kāi)無(wú)需電源的無(wú)源散熱器和熱管，走向強制風(fēng)冷的有源散熱裝置的第一步。風(fēng)扇可以解決散熱問(wèn)題，但也有讓人頭痛的地方，所以設計師在使用時(shí)往往心情復雜。

 

圖5：Delta Electronics的ASB0305HP-00CP4微型風(fēng)扇，30mm直徑x6.5mm深，采用單個(gè)+5V脈寬調制器（PWM）信號，能夠提供約0.144m3/min的氣流。它由PWM信號驅動(dòng)，并包含轉速計反饋信號（資料來(lái)源：Delta Electronics）

 

很顯然，風(fēng)扇會(huì )增加成本，需要空間，并且增加了系統噪音。作為一種機電器件，風(fēng)扇還容易發(fā)生故障，消耗能量并影響整個(gè)系統的效率。但在許多情況下，尤其是當氣流路徑彎曲、垂直或者不暢通時(shí)，它們通常是獲得足夠氣流的唯一途徑。許多應用都使用那些僅在需要時(shí)才運行的熱控制風(fēng)扇以降低轉速，從而降低功耗，并采用可在最佳運行速度下最大限度降低噪音的葉片。

 

定義風(fēng)扇能力的關(guān)鍵參數是每分鐘空氣的單位長(cháng)度或單位體積流量。物理尺寸也是一個(gè)問(wèn)題；顯然，低轉速大風(fēng)扇可以產(chǎn)生與高轉速小風(fēng)扇相同的氣流，因此存在尺寸與速度的取舍平衡。有些設計使用內部導風(fēng)板來(lái)引導氣流通過(guò)熱區域和散熱器以獲得最佳性能。

 

建模及綜合仿真

 

單獨使用無(wú)源冷卻系統還是使用強制風(fēng)冷的有源系統往往是一個(gè)困難的決定。單獨的無(wú)源系統尺寸較大，但更高效且可靠，而風(fēng)扇卻可以在不能單獨使用無(wú)源冷卻的情況下發(fā)揮作用。

 

當然，有些情況下單獨使用無(wú)源系統是不恰當或者不切實(shí)際的。其中一個(gè)例子是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的熱管理問(wèn)題。早期使用小型發(fā)動(dòng)機的汽車(chē)以汽缸頂部的翅片作為散熱器，進(jìn)行無(wú)源冷卻。隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機的變大和熱負荷的增加，這些翅片變得大而笨重，因此加入了循環(huán)流體以將熱量從翅片上帶走并傳送到散熱器。當汽車(chē)移動(dòng)時(shí)空氣通過(guò)該散熱器流動(dòng)，這也是一種無(wú)源散熱系統。但最終，隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機變得更大，無(wú)源散熱方法已無(wú)法滿(mǎn)足需求，除非車(chē)輛移動(dòng)，否則很容易過(guò)熱。因此，在散熱器后面增加一個(gè)風(fēng)扇，不管汽車(chē)的速度如何，都會(huì )讓空氣通過(guò)它。

 

建模和仿真對于高效熱管理策略至關(guān)重要，可用來(lái)確定需要多少冷氣以及如何實(shí)現冷卻。好消息是，這比射頻或電磁場(chǎng)的寄生和異常等其他類(lèi)型的電子建模要容易和精確得多。

 

對于微型模型來(lái)說(shuō)，熱源及其所有熱量流通路徑的特征在于它們的熱阻，而熱阻由其使用的材料、質(zhì)量和尺寸決定。通過(guò)建?？娠@示熱量如何從熱源流出，建模也是評估因自身散熱而導致熱事故的組件的第一步，例如高散熱IC、MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT），甚至是電阻。這些器件的供應商通常提供熱模型，而這些模型能夠提供從熱源到器件表面的熱路徑細節（圖6）。

 

圖6：所安裝FET的機械模型（左）用于開(kāi)發(fā)等效的熱阻模型（右），以模擬器件的散熱情況（資料來(lái)源：International Rectifier/Infineon）

 

請注意，對于某些組件，其各個(gè)表面的溫度可能不同。例如，芯片的底面自然會(huì )比封裝頂部的頂面更熱一些，所以供應商可能會(huì )將封裝設計為向頂部傳送更多的熱量，從而更好地利用頂面散熱器。

 

一旦各組件代表的熱負載已知，下一步就是宏觀(guān)層面建模，這一點(diǎn)既簡(jiǎn)單又復雜。作為一階近似，通過(guò)各種熱源的氣流可以調整大小以將其溫度保持在允許的限值以下。使用空氣溫度、非強制氣流可用流量、風(fēng)扇氣流量和其他因素進(jìn)行基本的計算就可以大致了解溫度狀況。

 

下一步是使用各種熱源的模型以及位置、PC板、外殼表面和其他因素，對整個(gè)產(chǎn)品及其封裝進(jìn)行更復雜的建模。這種類(lèi)型的建?；谟嬎懔黧w動(dòng)力學(xué)（CFD），可以非常準確地顯示封裝中每個(gè)位置的溫度（圖7）。

 

圖7：使用計算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析，可以看到整個(gè)系統或電路板上的詳細熱分布情況。例如圖中可以看出該PC板有三個(gè)主要熱源（紅色），并且熱量可以在擴展板上左右流動(dòng)（資料來(lái)源：Texas Instruments）

 

通過(guò)做出“假設”調整，設計人員可以查看更大的空氣端口是否需要更多空氣，確定其他氣流路徑是否更有效，識別使用更大或不同散熱器的差異之處，調查關(guān)于使用熱管移動(dòng)熱點(diǎn)的情況等。這些CFD建模軟件包可生成表格化數據以及散熱情況的彩色圖像。風(fēng)扇尺寸、氣流和位置的影響變化也很容易建模。

 

最后，建模還要解決另外兩個(gè)問(wèn)題。首先，熱管理存在峰值與平均耗散的問(wèn)題。熱耗散持續為1W的穩態(tài)組件與熱耗散10W但具有10％間歇占空比的器件相比，具有不同的熱影響。原因是即使平均熱耗散相同，相關(guān)的熱質(zhì)量和熱流量也會(huì )導致不同的熱分布。大多數CFD應用程序可以將靜態(tài)與動(dòng)態(tài)結合起來(lái)進(jìn)行分析。

 

其次，組件級微型模型必須考慮表面之間物理連接的不完善性，例如IC封裝頂部與散熱器之間的物理連接。如果這個(gè)連接有微小的間距，那么這條路徑的熱阻就會(huì )相對較高。因此，在這些表面之間通常使用薄的導熱墊來(lái)增強路徑的導熱性（圖8）。

 

圖8：由于存在微小的氣隙，用戶(hù)通?？梢圆迦雽岬娊^緣的墊片以盡量減輕IC及其散熱片之間的熱阻，例如具有5.0W/m-K熱阻的AP PAD HC 5.0熱接口高柔性硅基墊（資料來(lái)源：Bergquist Company）

 

結論

 

熱管理是電源管理的一個(gè)重要方面，它需要將組件和系統保持在溫度限制范圍內。無(wú)源解決方案從散熱器和熱管開(kāi)始，并可以使用風(fēng)扇進(jìn)行有源冷卻而使散熱效果得到增強。組件級和成品級的系統建模允許設計人員對散熱策略進(jìn)行一階近似分析。使用計算流體動(dòng)力學(xué)做進(jìn)一步分析可以全面了解整體熱量情況以及散熱策略變化的影響。所有的熱管理解決方案都涉及尺寸、功率、效率、重量、可靠性以及成本等方面的權衡，并且必須對項目的優(yōu)先級和約束條件進(jìn)行評估。

 

作者：Bill Schweber

 

Bill Schweber是貿澤電子撰稿人，也是一名電子工程師。他撰寫(xiě)了三本關(guān)于電子通信系統的教科書(shū)，以及數百篇技術(shù)文章、意見(jiàn)專(zhuān)欄和產(chǎn)品功能介紹。在過(guò)去的職業(yè)生涯中，他曾擔任多個(gè)EE Times子網(wǎng)站的網(wǎng)站管理員以及EDN執行編輯和模擬技術(shù)編輯。他在A(yíng)DI公司（模擬與混合信號IC的領(lǐng)先供應商）負責營(yíng)銷(xiāo)傳播工作，因此他在技術(shù)公關(guān)職能的兩個(gè)方面都很有經(jīng)驗，既能向媒體展示公司產(chǎn)品、故事和信息，也能作為這些信息的接收者。

 

在擔任ADI的MarCom職位之前，Bill曾是一名備受尊敬的技術(shù)期刊副主編，并曾在其產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)和應用工程團隊工作。在擔任這些職務(wù)之前，他曾在英斯特朗公司（Instron Corp.）實(shí)操模擬和電源電路設計以及用于材料測試機器控制的系統集成。

 

他擁有哥倫比亞大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和馬薩諸塞大學(xué)電子工程碩士學(xué)位，是注冊專(zhuān)業(yè)工程師，并持有高級業(yè)余無(wú)線(xiàn)電執照。他還規劃、編寫(xiě)并演示了各種工程主題的在線(xiàn)課程，包括MOSFET基礎知識，ADC選擇和驅動(dòng)LED。

 

來(lái)源：貿澤電子

 

 

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