针对电气工程师的热管理基础——第四篇

7 Dec 2018 • Less than one minute read

作者：Lawrence Der

在热管理基础知识的第一篇中，我们讨论了电域和热域之间的二元性。第二篇中，我们研究了三种不同的热传输机制，并将它们与等效热阻相关联。第三篇中，我们使用热电阻的概念建立了系统的热等效网络，并确定了其等效连结环境（JA）热阻。通过这种方法，我们能够将热阻与系统的物理特性联系起来，并通过等效的热电阻方程直观地了解主要的热传输机制。现在，让我们来进入大家关心的究极问题：散热。

散热片

散热片是被动热传输器件。在将热量从IC封装传递到周围环境时，其热阻远小于由热对流和热辐射引起的从封装到环境的并联热阻。为了使散热片起作用，其等效热阻必须满足如下方程：

其中是散热片的有效热阻，是热对流引起的封装顶部的热阻，是热辐射引起的封装顶部的热阻。

图1. N-fin 散热片的热阻模型，其中TIM连接到封装顶部。（点击查看大图）

图1显示了N-fin 散热片的热阻模型（N是Fin的数量），其中热界面材料（TIM）连接到封装的顶部。我们需要TIM来改善封装和散热片之间的接触，因此散热片的有效热阻需要包括TIM的热阻。从热管理基础第三篇的内容中，我们可以得知：

这表明有效电阻等于TIM的电阻加上散热片底部的电阻和N-fin的并联电阻。如果我们假设每个散热片电阻相等，那么方程可以进一步简化为：

散热片的等效电阻约等于TIM的电阻加上散热器底部的电阻，以及散热片的电阻除以数量N。由于散热片的面积可以大于封装的顶部表面区域，其热对流和热辐射电阻可以小于封装顶部表面的热对流和热辐射电阻。此外，若该电阻除以散热片Fin的数量，则可以达到N倍的改善。然而，对于给定的散热片基板区域，当增加的Fin高于一定数量时，最终却会导致每个Fin的热阻增加：这是由于散热片开始接近彼此而降低了有效传热系数的缘故。而正因为这些热阻直接增加了散热片的有效热阻，要想提高散热片的整体性能，为散热片和TIM选择高导热材料便十分重要。

散热器

冷却电子系统的另一种技术是使用热过孔和散热器将更多的热量从IC传播到PCB的背面。放置在IC下方的散热孔可以显著降低PCB的导热电阻，并有助于将热量引导到放置在PCB底部的散热板上。散热器由高导热材料（如石墨）制成，并具有较大的表面积以改善散热问题。

风扇

当使用被动散热片或散热器不足以消除热量时，消费电子系统如台式机、笔记本电脑、投影仪等还可以采用电子风扇来进行散热。风扇使用电动机并且需要电力来主动地在系统周围移动气流以消除热量。这可能会导致音频噪声，因此在选择风扇时需要考虑噪声和可靠性问题。当下的许多风扇都可以使用脉冲宽度调制（PWM）信号控制速度，因此您可以设计一个热管理系统，实现根据系统温度动态调整风扇速度。

散热管

散热管是一种传热装置，它利用导热和相变的原理在固体元件之间传递热量。散热管的相变通常是指液体在蒸发端达到沸点汽化而作为气体传播到管道中，再在其到达冷端时冷凝释放出热量之后，液体又通过毛细作用流回到蒸发端的过程。在将热量从蒸发端传递到冷凝端的运动中，这个过程会不断循环重复。散热管也广泛应用于消费电子系统，如计算机、平板电脑和智能手机领域。

动态节流

最后，作为电气工程师，我们确实可以使用各种功率节流技术来控制系统的功耗，但这样通常会降低系统性能。我们的目标是在尽可能权衡性能的情况下，使客户获得最佳的用户体验。现在许多电子系统在整个PCB中采用热传感器，从而使板载处理器可以监控系统中的温度，并在温度升高时做出动态节流决策。作为电气工程师，我们自然非常了解系统的各种功率曲线，我们可以通过打开风扇、减少功能、禁用系统的不同部分、或在系统温度达到不同温度阈值时限制时钟速度以达到我们的期望。

感谢您阅读我们的“针对电气工程师的热管理基础“系列文章，并与我们交流热管理方面的知识和经验。我们相信在不久的将来会出现更高功率的电子设备，因而电子工程师将在产品的热管理设计中发挥更加关键的作用。 Cadence^®的SigrityPowerDC仿真工具，拥有可靠的电/热协同仿真技术，多年来一直广泛用于封装和PCB板的设计、分析和签收领域。 PowerDC 使电子工程师能够通过快速准确的IC封装和PCB热分析来扩展电源完整性的分析范围。它包括了集成的电/热协同仿真环境，涵盖了在较高温度下电阻增加效应的影响，从而帮助您确认设计是否满足规定的直流电压和温度裕量。