電子系統(tǒng)熱管理方案 - 全文

 　  障礙與路徑分析法

　　電子設備的溫度越高，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致其性能下降。

　　現(xiàn)在電子設備的功能越來越多，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)做設計、熱仿真和熱測試的EDA工具供應商，例如Mentor Graphics、Zuken等。近日，Mentor Graphics的三維計算流體力學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。Mentor 系統(tǒng)設計部市場開發(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、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，這時會有熱量傳導過來，鐵板溫度改變，受電端達到90℃，但板子另一端還是0℃左右，因為這個板子導熱很快。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，但中間變細了，當你通電以后，這塊板變細部分形成了瓶頸。

　　這個實驗說明，材料或結構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，但上側換成了銅(銅是導熱最好的材料之一)，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，因為空氣傳導能力非常小，換成導熱襯墊(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)，均增加了導熱性，結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、可自恢復的PTC(正溫度系數(shù))器件等，并且基于各自的不同特點而應用于不同的領域。不過，其中PPTC(聚合物正溫度系數(shù))器件由于在技術上的不斷突破，已在低電阻需求領域如手機電池保護領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

　　近日，泰科電子(Tyco Electronics)在PPTC的基礎上，推出金屬混合聚合物正系數(shù)溫度電阻(Metal Hybrid PPTC, MHP)技術，可用于額定值在30VDC/30A以上的各種高速放電電池應用，比如無繩電動工具、電動自行車和備用電源等。

　　MHP技術采用了一種新型混合電路保護方法，它將一個雙金屬保護器與一個聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)器件并聯(lián)在一起(圖5)。這種集成化的解決方案提供了一種可自我恢復的過流保護方法，它利用PPTC器件的低阻抗來防止雙金屬保護器在更高電流時的電弧放電行為，同時通過加熱雙金屬來保持它的開路和閉鎖狀態(tài)。

　　MHP器件產(chǎn)品系列的首款產(chǎn)品MHP30-36器件的最高額定值為36VDC/100A，其中在100A電流(25℃)時的動作時間不到5秒。該器件的保持電流是30A，初始阻抗低于2mOhms。

　　泰科電子的電路保護產(chǎn)品大中華區(qū)高級銷售經(jīng)理江如祥稱，與標準的斷路器相比(表1)，MHP30-36器件提供了良好的消除電弧放電特性，而前者則必須通過限制開關循環(huán)的數(shù)量來解決，這是由于觸點間產(chǎn)生的電弧放電可能對其造成損壞。該MHP30-36器件還能幫助減少實際應用中放電場效應管(FET)和相伴的散熱片的數(shù)量，而這通常是通過使用IC+FET電池保護設計來實現(xiàn)的。

　　MHP器件技術能針對各種不同的應用進行配置，并且現(xiàn)在正開發(fā)能夠支持更高電壓(高達400VDC)和保持電流(60A)的器件。未來的設計考慮包括在電動踏板車和輕型電動車(LEV)中使用的鋰離子電池組的電池保護，以及各種備用電源應用和非電池應用，如電動馬達保護。