可以改善散熱問題的冷卻技術及其工作原理

時間過得真快，在大家的陪同下不知不覺就來到了夏季的尾聲。雖說還有秋老虎在前示威，小編卻已經(jīng)磨拳霍霍向秋游啦~

既然炎熱的暑氣都被秋風趕跑，小編也覺得是時候向大家介紹下可以改善散熱問題的冷卻技術及其工作原理了。這是熱管理基礎知識的最后一篇，希望大家都能在金秋時節(jié)實現(xiàn)大大大豐收！

小知識大復習

??在熱管理基礎知識的第一篇中，我們討論了電域和熱域之間的二元性。

第二篇中，我們研究了三種不同的熱傳輸機制，并將它們與等效熱阻相關聯(lián)。

第三篇中，我們使用熱電阻的概念建立了系統(tǒng)的熱等效網(wǎng)絡，并確定了其等效連結環(huán)境（JA）熱阻。通過這種方法，我們能夠將熱阻與系統(tǒng)的物理特性聯(lián)系起來，并通過等效的熱電阻方程直觀地了解主要的熱傳輸機制。

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現(xiàn)在，讓我們來進入大家關心的究極問題：散熱。

散熱片

散熱片是被動熱傳輸器件。在將熱量從IC封裝傳遞到周圍環(huán)境時，其熱阻遠小于由熱對流和熱輻射引起的從封裝到環(huán)境的并聯(lián)熱阻。為了使散熱片起作用，其等效熱阻必須滿足如下方程：

其中是散熱片的有效熱阻，是熱對流引起的封裝頂部的熱阻，是熱輻射引起的封裝頂部的熱阻。

圖1. N-fin 散熱片的熱阻模型，其中TIM連接到封裝頂部。

圖1顯示了N-fin 散熱片的熱阻模型（N是Fin的數(shù)量），其中熱界面材料（TIM）連接到封裝的頂部。我們需要TIM來改善封裝和散熱片之間的接觸，因此散熱片的有效熱阻需要包括TIM的熱阻。從熱管理基礎第三篇的內容中，我們可以得知：

這表明有效電阻等于TIM的電阻加上散熱片底部的電阻和N-fin的并聯(lián)電阻。 如果我們假設每個散熱片電阻相等，那么方程可以進一步簡化為：

散熱片的等效電阻約等于TIM的電阻加上散熱器底部的電阻，以及散熱片的電阻除以數(shù)量N。由于散熱片的面積可以大于封裝的頂部表面區(qū)域，其熱對流和熱輻射電阻可以小于封裝頂部表面的熱對流和熱輻射電阻。此外，若該電阻除以散熱片F(xiàn)in的數(shù)量，則可以達到N倍的改善。然而，對于給定的散熱片基板區(qū)域，當增加的Fin高于一定數(shù)量時，最終卻會導致每個Fin的熱阻增加：這是由于散熱片開始接近彼此而降低了有效傳熱系數(shù)的緣故。而正因為這些熱阻直接增加了散熱片的有效熱阻，要想提高散熱片的整體性能，為散熱片和TIM選擇高導熱材料便十分重要。

散熱器

冷卻電子系統(tǒng)的另一種技術是使用熱過孔和散熱器將更多的熱量從IC傳播到PCB的背面。放置在IC下方的散熱孔可以顯著降低PCB的導熱電阻，并有助于將熱量引導到放置在PCB底部的散熱板上。散熱器由高導熱材料（如石墨）制成，并具有較大的表面積以改善散熱問題。

風扇

當使用被動散熱片或散熱器不足以消除熱量時，消費電子系統(tǒng)如臺式機、筆記本電腦、投影儀等還可以采用電子風扇來進行散熱。風扇使用電動機并且需要電力來主動地在系統(tǒng)周圍移動氣流以消除熱量。這可能會導致音頻噪聲，因此在選擇風扇時需要考慮噪聲和可靠性問題。當下的許多風扇都可以使用脈沖寬度調制（PWM）信號控制速度，因此您可以設計一個熱管理系統(tǒng)，實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)溫度動態(tài)調整風扇速度。

散熱管

散熱管是一種傳熱裝置，它利用導熱和相變的原理在固體元件之間傳遞熱量。散熱管的相變通常是指液體在蒸發(fā)端達到沸點汽化而作為氣體傳播到管道中，再在其到達冷端時冷凝釋放出熱量之后，液體又通過毛細作用流回到蒸發(fā)端的過程。在將熱量從蒸發(fā)端傳遞到冷凝端的運動中，這個過程會不斷循環(huán)重復。散熱管也廣泛應用于消費電子系統(tǒng)，如計算機、平板電腦和智能手機領域。

動態(tài)節(jié)流

最后，作為電氣工程師，我們確實可以使用各種功率節(jié)流技術來控制系統(tǒng)的功耗，但這樣通常會降低系統(tǒng)性能。我們的目標是在盡可能權衡性能的情況下，使客戶獲得最佳的用戶體驗?，F(xiàn)在許多電子系統(tǒng)在整個PCB中采用熱傳感器，從而使板載處理器可以監(jiān)控系統(tǒng)中的溫度，并在溫度升高時做出動態(tài)節(jié)流決策。作為電氣工程師，我們自然非常了解系統(tǒng)的各種功率曲線，我們可以通過打開風扇、減少功能、禁用系統(tǒng)的不同部分、或在系統(tǒng)溫度達到不同溫度閾值時限制時鐘速度以達到我們的期望。

感謝您閱讀我們的“針對電氣工程師的熱管理基礎“系列文章，并與我們交流熱管理方面的知識和經(jīng)驗。我們相信在不久的將來會出現(xiàn)更高功率的電子設備，因而電子工程師將在產品的熱管理設計中發(fā)揮更加關鍵的作用。

Cadence?的Sigrity? PowerDC?仿真工具，擁有可靠的電/熱協(xié)同仿真技術，多年來一直廣泛用于封裝和PCB板的設計、分析和簽收領域。PowerDC使電子工程師能夠通過快速準確的IC封裝和PCB熱分析來擴展電源完整性的分析范圍。

它包括了集成的電/熱協(xié)同仿真環(huán)境，涵蓋了在較高溫度下電阻增加效應的影響，從而幫助您確認設計是否滿足規(guī)定的直流電壓和溫度裕量。