電子系統(tǒng)熱管理方案

電子設(shè)備的溫度越高。其可靠性和性能都會(huì)下降，這就是過(guò)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(guò)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(guò)熱而召回，就是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)導(dǎo)致其性能下降。

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

市場(chǎng)上誕生了專業(yè)做設(shè)計(jì)、熱仿真和熱測(cè)試的EDAT具供應(yīng)商，例如Mentot Graphics、Zuken等。近日，Mentor Graphics的三維計(jì)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(jì)部市場(chǎng)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(lái)的樣品分割來(lái)看里面的熱特性)，就能明確IC、PCB或者整個(gè)系統(tǒng)的熱流阻礙在哪里，以及為什么會(huì)出現(xiàn)熱流故障，同時(shí)還能確定解決散熱設(shè)計(jì)問題最決最有效的散熱捷徑。

散熱障礙與散熱路徑分析

散熱主要有三個(gè)途徑：輻射、傳導(dǎo)、自然對(duì)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(jì)中，一些熱量會(huì)淤積在某處，或過(guò)長(zhǎng)的散熱路徑影響散熱效率。

散熱障礙

為了說(shuō)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(shí)驗(yàn)，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(shí)會(huì)有熱量傳導(dǎo)過(guò)來(lái)，鐵板溫度改變，受電端達(dá)到90℃，但板子男一端還是0℃左右，因?yàn)檫@個(gè)板子導(dǎo)熱很快。左下宴驗(yàn)在冷卻板一一鐵板的中間替換成塑料，因?yàn)樗芰喜粚?dǎo)熱，在加熱的時(shí)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(huì)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(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，材料或結(jié)構(gòu)的改變都會(huì)改變散熱性能。

Mentot的經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)，路過(guò)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FIoTHERM 9工具分析后，就會(huì)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一一因?yàn)樗芰蠈?dǎo)熱性很差，因此把塑料換成銅后(圖2右圖)，熱量散得更快。

散熱案例

通過(guò)對(duì)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?yàn)檫@個(gè)地方原來(lái)是空氣，因?yàn)榭諝鈧鲗?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(shí)驗(yàn)方法固然好，如果用軟件仿真更可節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)一步改進(jìn)。例如焊點(diǎn)過(guò)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?cè)谘邪l(fā)新一代手機(jī)充電器IC時(shí)由于采用FIoTHERM 9而節(jié)省了時(shí)間和成本。