電源散熱方法錦囊

我們都知道熱管理是電源管理的一個(gè)重要方面，它需要將組件和系統(tǒng)保持在溫度限制范圍內(nèi)。無(wú)源解決方案從散熱器和熱管開(kāi)始，并可以使用風(fēng)扇進(jìn)行有源冷卻而使制冷效果得到增強(qiáng)。組件級(jí)和成品級(jí)的系統(tǒng)建模允許設(shè)計(jì)人員對(duì)制冷策略進(jìn)行一階近似分析。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)做進(jìn)一步分析可以全面了解整體熱量情況以及制冷策略變化的影響。所有的熱管理解決方案都涉及尺寸、功率、效率、重量、可靠性以及成本等方面的權(quán)衡，并且必須對(duì)項(xiàng)目的優(yōu)先級(jí)和約束條件進(jìn)行評(píng)估。

電氣工程師提到“電源管理”這個(gè)詞時(shí)，大多數(shù)人會(huì)想到各種具有轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器和其他功率處理以及功率轉(zhuǎn)換功能的直流電源。但是，電源管理遠(yuǎn)不止這些功能。由于效率不夠，所有電源都會(huì)發(fā)熱并且所有組件都必須散熱。

因此，電源管理也涉及熱管理，尤其是電源相關(guān)功能的散熱會(huì)如何影響散熱設(shè)計(jì)與熱量累積。此外，即使組件和系統(tǒng)都在規(guī)格范圍內(nèi)持續(xù)工作，隨著組件參數(shù)漂移，溫度的增加也會(huì)引起性能的變化。就算不是全盤崩潰，也會(huì)導(dǎo)致最終的系統(tǒng)故障。熱量還會(huì)縮短組件壽命，進(jìn)而縮短平均故障間隔時(shí)間，這也是保證長(zhǎng)期可靠性需要考慮的因素。

有兩個(gè)關(guān)于熱管理的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員必須了解：

● “微觀”問(wèn)題，單個(gè)組件由于發(fā)熱過(guò)多而處于過(guò)熱危險(xiǎn)中，但系統(tǒng)的其余部分(及其外殼)溫度在可接受范圍內(nèi)。

● “宏觀”問(wèn)題，由于多個(gè)來(lái)源的熱量累積而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)溫度過(guò)高。

一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是確定熱管理問(wèn)題有多少屬于微觀，多少屬于宏觀，以及微觀問(wèn)題與宏觀問(wèn)題的關(guān)聯(lián)程度。很顯然，一個(gè)高溫組件 - 甚至溫度超過(guò)了其允許的極限 - 將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)升溫，但這不一定意味著整個(gè)系統(tǒng)都很熱。但是，這意味著必須設(shè)法管理并減少該組件多余的熱量。

在討論熱管理和使用諸如“散熱”或“排熱”等詞時(shí)始終要牢記的一個(gè)問(wèn)題是：這些熱量要散到哪里去? 憤世嫉俗的人可能會(huì)說(shuō)，設(shè)計(jì)師就是以鄰為壑，找到一個(gè)地方散熱，把自己的問(wèn)題變成別人的問(wèn)題。

雖然這個(gè)觀點(diǎn)的確有點(diǎn)憤世嫉俗，但也有一定的道理。問(wèn)題是要把熱量發(fā)散到較冷的地方，以免對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。這個(gè)地方可以是系統(tǒng)和機(jī)箱的相鄰部分，也可以完全在機(jī)箱外部(僅當(dāng)外部比內(nèi)部溫度低時(shí)才有可能)。另外還要記住熱力學(xué)的一個(gè)定律：除非使用某種主動(dòng)泵送機(jī)械，否則熱量只會(huì)從高溫位置向低溫位置傳遞。

熱管理解決方案

熱管理遵循物理學(xué)基本原理。在制冷模式下，熱傳導(dǎo)有三種方式：輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流 (圖 1)

圖 1：熱傳遞有三種機(jī)制，特定情況下經(jīng)常是三種機(jī)制一起使用，只是使用程度不同(資料來(lái)源：Kmecfiunit/CC BY-SA 4.0)

最簡(jiǎn)單的說(shuō)法是：

● 輻射是指用電磁輻射(主要是紅外線)帶走熱量，這種熱傳遞可以發(fā)生在真空中。在大多數(shù)應(yīng)用中，這都不是主要的冷卻途徑，但在太空真空中就是。在太空中，輻射是從宇宙飛船吸走熱量的唯一途徑。

● 傳導(dǎo)是通過(guò)固體或液體的熱量流動(dòng)，不過(guò)傳熱材料并不發(fā)生實(shí)際移動(dòng)(當(dāng)然液體確實(shí)會(huì)流動(dòng))。

● 對(duì)流是像空氣或水這樣的流體介質(zhì)攜帶的熱量流動(dòng)。

對(duì)于大多數(shù)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)所需的冷卻是先以傳導(dǎo)的方式讓熱量離開(kāi)直接熱源，然后再以對(duì)流的方式將其傳遞到其他地方。設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)是需要將各種熱管理硬件(即原始的非電子意義上的硬件)結(jié)合起來(lái)，以有效地實(shí)現(xiàn)所需的傳導(dǎo)和對(duì)流。

有三個(gè)最常用的散熱元件：散熱器、熱管和風(fēng)扇。散熱器和熱管是無(wú)需電源的無(wú)源冷卻系統(tǒng)，其還包括自然引發(fā)的傳導(dǎo)和對(duì)流方法。相比之下，風(fēng)扇是一種有源的強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)。

先從散熱器開(kāi)始

散熱器是鋁或銅結(jié)構(gòu)，可通過(guò)傳導(dǎo)作用從熱源獲取熱量，并將熱量傳到氣流(在某些情況下，傳到水或其他液體)中以實(shí)現(xiàn)對(duì)流。散熱器有數(shù)千種尺寸規(guī)格和形狀，從連接單個(gè)晶體管的小型沖壓金屬翅片(圖 2)到具有許多可以攔截對(duì)流空氣流并將熱量傳輸?shù)皆摎饬鞯某崞?指形)的大型擠壓件(圖 3)。

圖 2：用簡(jiǎn)單金屬片制成的 Aavid Thermalloy 574502B00000G 散熱片設(shè)計(jì)為滑動(dòng)到 TO-220 封裝晶體管上，具有 21.2C/W 的熱阻，尺寸大約 10×22×19mm (資料來(lái)源：Aavid Thermalloy)

圖 3：來(lái)自 Cincom 的這些較大型擠壓式多翅片散熱器(M-C308、M-C091、M-C092)專為較大型 IC 和模塊而設(shè)計(jì)，最小的尺寸約為 60×60×20mm，最大的尺寸為 60×110×25mm (資料來(lái)源：Cincom Electronics)

散熱器的優(yōu)點(diǎn)之一是沒(méi)有移動(dòng)部件，沒(méi)有運(yùn)行成本，也沒(méi)有故障模式。一旦適當(dāng)尺寸的散熱器連接到熱源，隨著暖空氣上升，對(duì)流就會(huì)自然而然地發(fā)生，從而開(kāi)始并持續(xù)形成氣流。因此，在使用散熱器給熱源的入口和出口之間提供暢通的氣流時(shí)，這些優(yōu)點(diǎn)至關(guān)重要。 而且，入口必須在散熱器的下方并且出口在上方;否則，熱空氣會(huì)停滯在熱源之上，從而使情況進(jìn)一步惡化。

盡管散熱器易于使用，但它也的確有一些負(fù)面影響。首先，傳輸大熱量的散熱器體積大、成本高、重量大。而且它們必須正確放置，因此會(huì)影響或限制電路板的物理布局。它們的翅片也可能被氣流中的灰塵堵塞，從而大大降低效率。它們必須正確連接到熱源上，以使熱量能夠暢通地從熱源流向散熱器。

由于散熱器在尺寸、配置以及其他因素上有非常豐富的選擇，剛開(kāi)始會(huì)使我們?cè)谶x購(gòu)時(shí)眼花繚亂。請(qǐng)注意，有許多通用散熱器以及針對(duì)特定集成電路 (IC)，例如特定處理器或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 型號(hào)的散熱器。

另外還有不是分立組件的散熱器。有些 IC 使用引腳或引線將熱量從其芯片和主體傳導(dǎo)到其 PC 板上，就相當(dāng)于是散熱器。其他的 IC 實(shí)際上在其封裝下有一個(gè)銅塞，當(dāng)它被焊接到 PC 板上時(shí)，這個(gè)金屬塊可用于為芯片降溫。這是一種低成本而又有效的散熱方式，但是這得假定 PC 板其余部分溫度較低并且附近沒(méi)有其他組件也使用該板散熱。實(shí)際上，每個(gè)器件都試圖將多余的廢熱排放到鄰近區(qū)域，這是一場(chǎng)零和游戲。

增加熱管

熱管理套件的另一個(gè)重要器件是熱管(圖 4)。這種無(wú)源組件接近于工程師所期望的“幾乎無(wú)成本”，因?yàn)樗恍枰魏涡问降闹鲃?dòng)強(qiáng)制機(jī)制就可以將熱量從 A 點(diǎn)傳送到 B 點(diǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，熱管是包含芯和工作流體的密封金屬管。熱管的作用是從熱源吸收熱量并將其傳送到較冷的區(qū)域，但它本身不作為散熱器。當(dāng)熱源附近沒(méi)有足夠的空間放置散熱器或氣流不足時(shí)便可以使用熱管。熱管工作效率高，可以將熱量從源頭傳送到更便于管理的地方。

圖 4：Wakefield-Vette(型號(hào) 120231)的微型熱管尺寸僅為 6mm×1.5mm，可傳輸最高達(dá) 25W 的熱負(fù)荷。 (資料來(lái)源：Wakefield-Vette)

熱管是如何工作的?它的原理簡(jiǎn)單而巧妙：它實(shí)現(xiàn)了形態(tài)轉(zhuǎn)變，這是熱物理學(xué)的一個(gè)基本原理。熱源在密封管內(nèi)將工作流體轉(zhuǎn)變成蒸汽，而蒸汽帶著熱量傳遞到熱管的較冷端。在這一端，蒸氣冷凝成液體并釋放出熱量，而流體再返回到較熱端。這種氣 - 液形態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程是連續(xù)運(yùn)行的，并且僅由冷端和熱端的溫度差驅(qū)動(dòng)。

熱管有多種直徑和長(zhǎng)度，大部分的直徑大約在四分之一英寸到二分之一英寸之間，長(zhǎng)度在幾英寸到約一英尺之間。與水管一樣，直徑大的管道能傳送更多的熱量。在冷端連接散熱器或其他冷卻裝置可以解決氣流受阻的局部熱點(diǎn)的散熱問(wèn)題。

增加風(fēng)扇

最后還有風(fēng)扇(圖 5)，它標(biāo)志著拋開(kāi)無(wú)需電源的無(wú)源散熱器和熱管，走向強(qiáng)制風(fēng)冷的有源散熱裝置的第一步。風(fēng)扇可以解決散熱問(wèn)題，但也有讓人頭痛的地方，所以設(shè)計(jì)師在使用時(shí)經(jīng)常心情復(fù)雜。

圖 5：Delta Electronics 的 ASB0305HP-00CP4 微型風(fēng)扇，30mm 直徑 x 6.5mm 深，采用單個(gè)+ 5V 脈寬調(diào)制器 (PWM) 信號(hào)，能夠提供約 0.144m3/min (5ft.3/min) 的氣流。它由 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并包含轉(zhuǎn)速計(jì)反饋信號(hào) (資料來(lái)源：Delta Electronics)

很顯然，風(fēng)扇會(huì)增加成本，需要空間，并且增加了系統(tǒng)噪音。作為一種機(jī)電器件，風(fēng)扇還容易發(fā)生故障，消耗能量并影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。但在許多情況下，尤其是當(dāng)氣流路徑是彎曲、垂直的或者不暢通時(shí)，它們通常是獲得足夠氣流的唯一途徑。許多應(yīng)用都使用那些僅在需要時(shí)才運(yùn)行的熱控制風(fēng)扇以降低轉(zhuǎn)速，從而降低功耗，并采用可在最佳運(yùn)行速度下最大限度降低噪音的葉片。

定義風(fēng)扇能力的關(guān)鍵參數(shù)是每分鐘空氣的單位長(zhǎng)度或單位體積流量。物理尺寸也是一個(gè)問(wèn)題; 顯然，低轉(zhuǎn)速大風(fēng)扇可以產(chǎn)生與高轉(zhuǎn)速小風(fēng)扇相同的氣流，因此存在尺寸與速度的取舍平衡。 有些設(shè)計(jì)使用內(nèi)部導(dǎo)風(fēng)板來(lái)引導(dǎo)氣流通過(guò)熱區(qū)域和散熱器以獲得最佳性能。

建模及綜合仿真

單獨(dú)使用無(wú)源冷卻系統(tǒng)還是使用強(qiáng)制風(fēng)冷的有源系統(tǒng)往往是一個(gè)困難的決定。單獨(dú)的無(wú)源系統(tǒng)尺寸較大，但更高效且可靠，而風(fēng)扇卻可以在不能單獨(dú)使用無(wú)源冷卻的情況下發(fā)揮作用。

當(dāng)然，有些情況下單獨(dú)使用無(wú)源系統(tǒng)是不恰當(dāng)或者不切實(shí)際的。其中一個(gè)例子是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理問(wèn)題。早期使用小型發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車以汽缸頂部的翅片作為散熱器，進(jìn)行無(wú)源冷卻。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的變大和熱負(fù)荷的增加，這些翅片變得大而笨重，因此加入了循環(huán)流體以將熱量從翅片上帶走并傳送到散熱器。當(dāng)汽車移動(dòng)時(shí)空氣通過(guò)該散熱器流動(dòng)，這也是一種無(wú)源散熱系統(tǒng)。但最終，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)變得更大，無(wú)源散熱方法已無(wú)法滿足需求，除非車輛移動(dòng)，否則很容易過(guò)熱。因此，在散熱器后面增加一個(gè)風(fēng)扇，不管汽車的速度如何，都會(huì)讓空氣通過(guò)它。

建模和仿真對(duì)于高效熱管理策略至關(guān)重要，可用來(lái)確定需要多少冷氣以及如何實(shí)現(xiàn)冷卻。好消息是，這比射頻或電磁場(chǎng)的寄生和異常等其他類型的電子建模要容易和精確得多。

對(duì)于微型模型來(lái)說(shuō)，熱源及其所有熱量流通路徑的特征在于它們的熱阻，而熱阻由其使用的材料、質(zhì)量和尺寸決定。建模顯示熱量如何從熱源流出，也是評(píng)估因自身散熱而導(dǎo)致熱事故的組件的第一步，例如高散熱 IC、MOSFET 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，甚至是電阻。這些器件的供應(yīng)商通常提供熱模型，而這些模型能夠提供從熱源到器件表面的熱路徑細(xì)節(jié)(圖 6)。

圖 6：所安裝 FET 的機(jī)械模型 (左) 用于開(kāi)發(fā)等效的熱阻模型 (右)，以模擬器件的散熱情況 (資料來(lái)源：International Rectifier/Infineon)

請(qǐng)注意，對(duì)于某些組件，其各個(gè)表面的溫度可能不同。例如，芯片的底面自然會(huì)比封裝頂部的頂面更熱一些，所以供應(yīng)商可能會(huì)將封裝設(shè)計(jì)為向頂部傳送更多的熱量，從而更好地利用頂面散熱器。

一旦各組件代表的熱負(fù)載已知，下一步就是宏觀層面建模，這一點(diǎn)既簡(jiǎn)單又復(fù)雜。作為一階近似，通過(guò)各種熱源的氣流可以調(diào)整大小以將其溫度保持在允許的限值以下。使用空氣溫度、非強(qiáng)制氣流可用流量、風(fēng)扇氣流量和其他因素進(jìn)行基本的計(jì)算就可以大致了解溫度狀況。

下一步是使用各種熱源的模型以及位置、PC 板、外殼表面和其他因素，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品及其封裝進(jìn)行更復(fù)雜的建模。這種類型的建?；谟?jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)，可以非常準(zhǔn)確地顯示封裝中每個(gè)位置的溫度 (圖 7)。

圖 7：使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 分析，可以看到整個(gè)系統(tǒng)或電路板上的詳細(xì)熱分布情況。例如圖中可以看出該 PC 板有三個(gè)主要熱源 (紅色)，并且熱量可以在擴(kuò)展板上左右流動(dòng) (資料來(lái)源：Texas Instruments)

通過(guò)做出“假設(shè)”調(diào)整，設(shè)計(jì)人員可以查看更大的空氣端口是否需要更多空氣，確定其他氣流路徑是否更有效，識(shí)別使用更大或不同散熱器的差異之處，調(diào)查關(guān)于使用熱管移動(dòng)熱點(diǎn)的情況等。這些 CFD 建模軟件包可生成表格化數(shù)據(jù)以及散熱情況的彩色圖像。風(fēng)扇尺寸、氣流和位置的影響變化也很容易建模。

最后，建模還要解決另外兩個(gè)問(wèn)題。首先，存在峰值與平均耗散的問(wèn)題。熱耗散持續(xù)為 1W 的穩(wěn)態(tài)組件與熱耗散 10W 但具有 10%間歇占空比的器件相比，具有不同的熱影響。原因是即使平均熱耗散相同，相關(guān)的熱質(zhì)量和熱流量也會(huì)導(dǎo)致不同的熱分布。大多數(shù) CFD 應(yīng)用程序可以將靜態(tài)與動(dòng)態(tài)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析。

其次，組件級(jí)微型模型必須考慮表面之間物理連接的不完善性，例如 IC 封裝頂部與散熱器之間的物理連接。如果這個(gè)連接有微小的間距，那么這條路徑的熱阻就會(huì)相對(duì)較高。因此，在這些表面之間通常使用薄的導(dǎo)熱墊來(lái)增強(qiáng)路徑的導(dǎo)熱性(圖 8)。

圖 8：由于存在微小的氣隙，用戶通常可以插入導(dǎo)熱但電絕緣的墊片以盡量減輕 IC 及其散熱片之間的熱阻，例如具有 5.0W/m-K 熱阻的 AP PAD HC 5.0 熱接口高柔性硅基墊 (資料來(lái)源：Bergquist Company)