電子業(yè)熱管理基礎(chǔ)

工程師可以設(shè)計一個熱管理系統(tǒng),以滿足他們的需求,評估冷卻設(shè)備的權(quán)衡。

所有的電子系統(tǒng)都在最高和最低的溫度范圍內(nèi)工作,在這個范圍之外,它們可能不能正常工作,甚至不能發(fā)生故障。本文著重討論高溫對電子系統(tǒng)的影響,以及將其冷卻到指定工作溫度范圍的一些基本理論。

熱管理正在成為電子設(shè)計中越來越緊迫的一個原因是,通過摩爾定律的集成,我們期望電子系統(tǒng)為我們做的工作比過去多得多。上世紀(jì)90年代的一款手機可以打電話發(fā)短信,但我們預(yù)計一款尺寸大致相同的現(xiàn)代智能手機可以在5G網(wǎng)絡(luò)上傳輸4K視頻。越來越多的工作正在完成,隨著工作而來的是熱。

我們還希望我們的電子系統(tǒng)更加密集。這就是為什么我們看到強調(diào)提高電力設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率,如用于電動車輛的MOSIFT。他們控制著如此巨大的能量,以至于他們的轉(zhuǎn)換效率單個百分點的提高可以轉(zhuǎn)化為車輛里程值的增加--以及更低的系統(tǒng)冷卻成本。

熱管理的基本概念

為了解決日益增長的冷卻問題,有必要回顧一下我們對熱能傳遞的三種方式的理解:傳導(dǎo)、對流和輻射。這三種方法都在冷卻電子產(chǎn)品中發(fā)揮作用,但其實施情況和有效性各不相同。

感應(yīng)是熱能量在接觸的物體之間的轉(zhuǎn)移,能量從較熱的物體流到較冷的物體,直到兩個物體的溫度平衡。這通常是最有效的轉(zhuǎn)移熱能的方式,使兩個物體之間接口的單位面積的最大能量轉(zhuǎn)移成為可能。

對流是指通過空氣或其他流體介質(zhì)的移動轉(zhuǎn)移熱能。當(dāng)應(yīng)用于電路設(shè)計或設(shè)備冷卻時,冷卻器的空氣通過熱元件流動,通過熱交換吸收熱量并將其轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中。這一過程可以是被動的,依靠溫度梯度驅(qū)動的自然空氣循環(huán),或者是強迫的,利用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機來提高氣流速度,從而提高散熱率。

雖然對流的導(dǎo)熱系數(shù)一般比導(dǎo)電低,但它在散熱器設(shè)計、圍護和整體系統(tǒng)冷卻中起著關(guān)鍵作用。通常,它是傳熱的最后階段,在這一階段,傳導(dǎo)將熱量從裝置轉(zhuǎn)移到散熱器或表面,然后對流將其從系統(tǒng)中完全清除。

輻射是第三種方式,通過發(fā)射電磁波的能量將熱能從電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出去。在這種方法中,電荷粒子在物質(zhì)中的運動和相互作用產(chǎn)生耦合的電場和磁場,將粒子熱的動能轉(zhuǎn)化為電磁能,然后從源頭傳播。輻射通常只對真空中的應(yīng)用非常重要,因為在真空中,傳導(dǎo)和對流是沒有選擇的。在大多數(shù)熱管理情況下,輻射是相對無效的,因此在熱計算中經(jīng)常被忽略。

在根據(jù)這三項原則設(shè)計電子冷卻系統(tǒng)時,必須注意到,理論上預(yù)期發(fā)生的情況與實際發(fā)生的情況之間存在差距。在從理論到實踐的過渡中,一個經(jīng)常被忽視的問題是所涉材料和接口的熱電阻或熱阻抗。

熱阻抗是一個函數(shù)的材料,形狀和尺寸的接口,較低的熱阻抗數(shù)字意味著更容易的熱能轉(zhuǎn)移。熱阻抗的概念可以用來計算系統(tǒng)在達到某一特定溫度之前能耗散多少功率,因為它是在已知的環(huán)境溫度下運行的。

傳導(dǎo)、對流和輻射的概念,加上熱阻抗,提供了基本的工具,設(shè)計者可以利用這些工具為當(dāng)今日益要求的電子應(yīng)用開發(fā)有效的熱解決方案。

熱管理部分概述

在現(xiàn)有的許多冷卻解決方案中,由于效率和成本效益的平衡,散熱器、風(fēng)扇和佩爾蒂埃模塊是最突出的。雖然每一個都可以獨立運作,但當(dāng)它們被整合到一個綜合系統(tǒng)中時,通常效果最好。

散熱器

熱吸收器是降低熱生成裝置(例如功率晶體管或處理器)與周圍空氣之間的熱阻力的被動部件。通過增加對流表面積,使其能夠更有效地向環(huán)境傳熱。散熱器經(jīng)常與風(fēng)扇搭配,以通過盡量減少局部的熱停滯來提高散熱效率。

設(shè)計效益:

· 由鋁或銅等材料制成,用于高導(dǎo)熱性

· 可靠無移動部件,確保接近零故障率

· 在手術(shù)過程中價格低廉且安靜。

設(shè)計限制:

· 由于有效散熱所需的表面積,通常很大

· 如果沒有諸如強制氣流這樣的輔助技術(shù),效果就不那么好

風(fēng)扇和鼓風(fēng)機

風(fēng)扇和鼓風(fēng)機是一種主動冷卻裝置,用來在部件或散熱器上方移動空氣,打破停滯不前的暖空氣層,改善對流傳熱。風(fēng)扇可以減小散熱器的尺寸,但應(yīng)謹慎選擇,以平衡噪音、可靠性和氣流需求。

設(shè)計效益:

· 可提供各種尺寸、形狀和電壓等級,為各種應(yīng)用提供靈活性

· 以每分鐘立方英尺為單位,提高氣流容量(CFM)

· 某些模型支持速度控制,使反饋系統(tǒng)能夠集成到動態(tài)熱調(diào)節(jié)

設(shè)計限制:

· 在操作過程中需要外力和產(chǎn)生噪音

· 移動部件容易磨損,降低了長期可靠性

· 與被動方法相比,增加了設(shè)計的復(fù)雜性

佩蒂埃裝置

伯爾蒂埃器件利用伯爾蒂埃效應(yīng),在這種效應(yīng)中,通過熱電材料的電流在整個模塊中產(chǎn)生溫差。這些設(shè)備主動將熱量從一邊(冷面)轉(zhuǎn)移到另一邊(冷面),從而實現(xiàn)精確的溫度控制。雖然成本昂貴,但在高性能或高精度的應(yīng)用程序中,保持嚴(yán)格的熱環(huán)境至關(guān)重要。

設(shè)計效益:

· 能在環(huán)境溫度下冷卻設(shè)備,這是一種無源部件無法使用的能力

· 無移動部件,提高可靠性

· 適合需要精確熱管理的應(yīng)用

設(shè)計限制:

· 使用大功率,將額外熱量引入系統(tǒng)

· 一般來說比風(fēng)扇或散熱器更貴

· 作為獨立的解決方案,效率低下,往往需要與散熱器和風(fēng)扇相結(jié)合,以有效地消散積累的熱量

系統(tǒng)設(shè)計考慮

在設(shè)計熱管理系統(tǒng)時,評估成本、尺寸、可靠性和耗電量之間的權(quán)衡是至關(guān)重要的。下面是每個冷卻溶液的堆疊方式:

通過了解每個選項的優(yōu)勢和局限性,設(shè)計者可以定制一個熱管理計劃,以滿足其應(yīng)用的具體需求。

熱計算實例

為了說明如何容易地創(chuàng)建一個集成的熱解決方案,這里是一個簡化的問題和解決方案的例子。

假設(shè)在10×15毫米封裝中有一個設(shè)備，在穩(wěn)定狀態(tài)下產(chǎn)生3.3 W的熱量。其目標(biāo)是在50攝氏度的環(huán)境環(huán)境下，將設(shè)備的運行溫度保持在40攝氏度，而不超過80攝氏度的系統(tǒng)要求。提出了一種基于熱界面材料(TIM)、散熱器和風(fēng)扇的集成熱管理解決方案。

· 佩爾蒂埃模塊：在本例子中，同一Sky的CP30138H模塊用于從設(shè)備上去除3.3 W的熱量。該模塊在1.8 A和2.6 V下工作，引入額外4.7 W的熱量。

· 蒂姆:同樣的天空?SF600G 蒂姆將設(shè)備連接到佩爾蒂埃模塊,將模塊連接到熱吸收器,每個模塊的熱電阻均為1.08℃/W。

· 散熱器:在這種情況下,相同的天空?HSB28-606022 熱吸收器附在一起,具有400-lfm的氣流,提供了0.9°C/W的熱電阻。

· 范:同一個天空?CFM-40BG系列 提供所需的400lfm氣流。

熱分析:

· Total heat load: Device (3.3 W) + Peltier module (4.7 W) = 8 W

· Total thermal resistance: TIM (1.08°C/W) + heat sink (0.9°C/W) = 1.98°C/W

· Temperature rise: 8 W × 1.98°C/W = 15.84°C

· Heat sink temperature: Ambient (50°C) + rise (15.84°C) = 65.84°C

這種配置確保熱吸收器溫度保持在80℃閾值以下,有效地管理了設(shè)備的熱需求。

有效的熱管理對于確保電子系統(tǒng)的最佳性能和壽命至關(guān)重要。綜合解決方案,如散熱器、風(fēng)扇和Peler模塊,通常用于冰箱、暖通空調(diào)系統(tǒng)、3d打印機和除濕器等消費設(shè)備,它們有助于保持操作效率和防止過熱。在科學(xué)和工業(yè)設(shè)備中,用于DNA合成和精密激光的熱循環(huán)儀等儀器利用先進的熱管理來維持溫度穩(wěn)定,確保準(zhǔn)確性和防止激光波長漂移等問題。

了解這些組件的功能和適當(dāng)?shù)膶崿F(xiàn)使工程師能夠設(shè)計在其熱設(shè)計限度內(nèi)運行的系統(tǒng),提高可靠性,延長設(shè)備壽命。