電子系統(tǒng)熱管理方案

 　  障礙與路徑分析法

　　電子設(shè)備的溫度越高，其可靠性和性能都會下降，這就是過熱現(xiàn)象。處理器、FPGA、LED照明、便攜式產(chǎn)品和電源部分容易產(chǎn)生過熱。例如市面上可以見到一些公司宣布筆記本電腦的電源部分因過熱而召回，就是因為溫度過高會導(dǎo)致其性能下降。

　　現(xiàn)在電子設(shè)備的功能越來越多，但體積卻越來越小，所以散發(fā)出的熱量必須要最快地被排走，否則就會導(dǎo)致過熱。因此從IC(集成電路)封裝到PCB(印制板)以及整個電子系統(tǒng)，都要考慮過熱并采取合理的散熱方法。

　　市場上誕生了專業(yè)做設(shè)計、熱仿真和熱測試的EDA工具供應(yīng)商，例如Mentor Graphics、Zuken等。近日，Mentor Graphics的三維計算流體力學(xué)FloTHERM軟件(CFD)，創(chuàng)新性地采用了散熱障礙(Bn)和散熱捷徑(Sc)分析技術(shù)。Mentor 系統(tǒng)設(shè)計部市場開發(fā)總監(jiān)John Isaac稱，現(xiàn)在工程師可用一種非破壞的方式(即不需要把原來的樣品分割來看里面的熱特性)，就能明確IC、PCB或者整個系統(tǒng)的熱流阻礙在哪里，以及為什么會出現(xiàn)熱流故障，同時還能確定解決散熱設(shè)計問題最快最有效的散熱捷徑。

　　散熱障礙與散熱路徑分析

　　散熱主要有三個途徑：輻射、傳導(dǎo)、自然對流。

　　就像河流中形成一些堰塞湖(障礙)，或者蜿蜒的路一樣(路徑)，在電子設(shè)計中，一些熱量會淤積在某處，或過長的散熱路徑影響散熱效率。

　　散熱障礙

　　為了說明方便，一般把溫度從低到高用藍(lán)色、黃色、橙色到紅色代表。我們可做如圖1的實驗，左上圖的案例是一塊鐵板，把它降為0℃，然后再把它接上100W電源，這時會有熱量傳導(dǎo)過來，鐵板溫度改變，受電端達(dá)到90℃，但板子另一端還是0℃左右，因為這個板子導(dǎo)熱很快。左下實驗在冷卻板——鐵板的中間替換成塑料，因為塑料不導(dǎo)熱，在加熱的時候，由于受到了阻擋，鐵板通電處的溫度就升高到了130℃，可見材料的改變可能會改變你的散熱效果。右上圖所有的條件都與左上圖一樣，還是鐵，但中間變細(xì)了，當(dāng)你通電以后，這塊板變細(xì)部分形成了瓶頸。

　　這個實驗說明，材料或結(jié)構(gòu)的改變都會改變散熱性能。

　　Mentor的經(jīng)驗公式是(圖1右下圖)：

　　Bn/Bn(max)=│熱通量│x│溫度梯度│x│角度余弦函數(shù)│

　　散熱捷徑

　　當(dāng)你的熱流路徑要走很長時，路過的區(qū)域越多，散熱肯定更慢。

　　圖2還是圖1形狀一樣的板子，但是用不同的材料，加熱仍是100W，但上側(cè)換成了銅(銅是導(dǎo)熱最好的材料之一)，下面是塑料，用Mentor的FloTHERM 9工具分析后，就會顯示某些地方高亮，就知道哪些地方散熱有問題，并考慮怎么能夠讓熱散得更塊——因為塑料導(dǎo)熱性很差，因此把塑料換成銅后(圖2右圖)，熱量散得更快。

　　通過對PCB板側(cè)面觀察(如圖3)，發(fā)現(xiàn)一些芯片的溫度最高，可以找到讓它更快散熱的其他熱流路徑，方法就是因為這個地方原來是空氣，因為空氣傳導(dǎo)能力非常小，換成導(dǎo)熱襯墊(通常是金屬)(散熱捷徑法)或金屬擠壓品(解決散熱障礙法，圖4)，均增加了導(dǎo)熱性，結(jié)果可看出沒有紅色了。

　　實驗方法固然好，如果用軟件仿真更可節(jié)省設(shè)計時間。從熱分析工具中可以直觀看到散熱障礙在哪里，用散熱捷徑軟件提示我們哪里能夠進一步改進。例如焊點過熱，就需要改變焊接的方法等。

　　CamSemi公司是做電源管理方案的公司。該公司工程副總裁Nigel Heather稱他們在研發(fā)新一代手機充電器IC時由于采用FloTHERM 9而節(jié)省了時間和成本。

　　滿足高速放電的電路保護方案——MHP在電路過流(過熱)時，就需要用到電路保護方案。電路保護市場可以分為過流、過壓、防靜電(ESD)三大類，其中針對過流保護市場，目前的主要形式有一次性保險絲、可自恢復(fù)的PTC(正溫度系數(shù))器件等，并且基于各自的不同特點而應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。不過，其中PPTC(聚合物正溫度系數(shù))器件由于在技術(shù)上的不斷突破，已在低電阻需求領(lǐng)域如手機電池保護領(lǐng)域與一次性保險絲形成了較強的競爭態(tài)勢。

　　但對于鋰離子電池等高速放電和小型化的需求，市場呼喚能確保終端產(chǎn)品電池安全的、具有高性價比的高強度電路保護器件。

　　滿足高速放電的電路保護方案——MHP