因此
，電源管理也涉及熱管理，youqishidianyuanxiangguangongnengdesanrehuiruheyingxiangsanreshejiyureliangleiji。ciwai，jishizujianhexitongdouzaiguigefanweineichixugongzuo，suizhezujiancanshupiaoyi，wendudezengjiayehuiyinqixingnengdebianhua。jiusuanbushiquanpanbengkui，yehuidaozhizuizhongdexitongguzhang。relianghaihuisuoduanzujianshouming，jinersuoduanpingjunguzhangjiangeshijian，zheyeshibaozhengchangqikekaoxingxuyaokaolvdeyinsu。

 

有兩個關於熱管理的觀點
，設計人員必須了解：

 

●   “微觀”問題
，單個組件由於發熱過多而處於過熱危險中，但係統的其餘部分（及其外殼）溫度在可接受範圍內。

 

●   “宏觀”問題，由於多個來源的熱量累積而導致整個係統溫度過高。

 

一(yi)個(ge)設(she)計(ji)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)確(que)定(ding)熱(re)管(guan)理(li)問(wen)題(ti)有(you)多(duo)少(shao)屬(shu)於(yu)微(wei)觀(guan)，多(duo)少(shao)屬(shu)於(yu)宏(hong)觀(guan)，以(yi)及(ji)微(wei)觀(guan)問(wen)題(ti)與(yu)宏(hong)觀(guan)問(wen)題(ti)的(de)關(guan)聯(lian)程(cheng)度(du)。很(hen)顯(xian)然(ran)，一(yi)個(ge)高(gao)溫(wen)組(zu)件(jian)甚(shen)至(zhi)溫(wen)度(du)超(chao)過(guo)了(le)其(qi)允(yun)許(xu)的(de)極(ji)限(xian)將(jiang)會(hui)導(dao)致(zhi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)升(sheng)溫(wen)，但(dan)這(zhe)不(bu)一(yi)定(ding)意(yi)味(wei)著(zhe)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)都(dou)很(hen)熱(re)。但(dan)是(shi)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)必(bi)須(xu)設(she)法(fa)管(guan)理(li)並(bing)減(jian)少(shao)該(gai)組(zu)件(jian)多(duo)餘(yu)的(de)熱(re)量(liang)。

 

在討論熱管理和使用諸如“散熱”或“排熱”等詞時始終要牢記的一個問題是：這些熱量要散到哪裏去？憤世嫉俗的人可能會說，設計師就是以鄰為壑，找到一個地方散熱，把自己的問題變成別人的問題。

 

雖(sui)然(ran)這(zhe)個(ge)觀(guan)點(dian)的(de)確(que)有(you)點(dian)憤(fen)世(shi)嫉(ji)俗(su)，但(dan)也(ye)有(you)一(yi)定(ding)的(de)道(dao)理(li)。這(zhe)裏(li)的(de)關(guan)鍵(jian)就(jiu)是(shi)要(yao)把(ba)熱(re)量(liang)發(fa)散(san)到(dao)較(jiao)冷(leng)的(de)地(di)方(fang)，以(yi)免(mian)對(dui)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)。這(zhe)個(ge)地(di)方(fang)可(ke)以(yi)是(shi)係(xi)統(tong)和(he)機(ji)箱(xiang)的(de)相(xiang)鄰(lin)部(bu)分(fen)，也(ye)可(ke)以(yi)完(wan)全(quan)在(zai)機(ji)箱(xiang)外(wai)部(bu)（僅當外部比內部溫度低時才有可能）。另外還要記住熱力學的一個定律：除非使用某種主動泵送機械，否則熱量隻會從高溫位置向低溫位置傳遞。

 

熱管理解決方案

 

熱管理遵循物理學基本原理。在製冷模式下
，熱傳導有三種方式：輻射、傳導和對流。（圖1）

 

圖1：熱傳遞有三種機製，特定情況下經常是三種機製一起使用

，隻是使用程度不同（資料來源：Kmecfiunit/CC BY-SA 4.0）

 

最簡單的說法是：

 

●   輻射是指用電磁輻射（主要是紅外線）daizoureliang，zhezhongrechuandikeyifashengzaizhenkongzhong。zaidaduoshuyingyongzhong
，zhedoubushizhuyaodelengquetujing，danzaitaikongzhenkongzhongjiushi。zaitaikongzhong，fusheshicongyuzhoufeichuanxizoureliangdeweiyitujing。

●   傳導是通過固體或液體的熱量流動，不過傳熱材料並不發生實際移動（當然液體確實會流動）。

●   對流是通過諸如空氣或水這樣的流體介質攜帶熱量流動。

 

對dui於yu大da多duo數shu電dian子zi係xi統tong來lai說shuo，實shi現xian所suo需xu的de冷leng卻que是shi先xian以yi傳chuan導dao的de方fang式shi讓rang熱re量liang離li開kai直zhi接jie熱re源yuan，然ran後hou再zai以yi對dui流liu的de方fang式shi將jiang其qi傳chuan遞di到dao其qi他ta地di方fang。設she計ji上shang的de挑tiao戰zhan是shi需xu要yao將jiang各ge種zhong熱re管guan理li硬ying件jian（即原始的非電子意義上的硬件）結合起來，以有效地實現所需的傳導和對流。

 

最常用的散熱元件有三種：散熱器
、熱re管guan和he風feng扇shan。散san熱re器qi和he熱re管guan是shi無wu需xu電dian源yuan的de無wu源yuan冷leng卻que係xi統tong，其qi還hai包bao括kuo自zi然ran引yin發fa的de傳chuan導dao和he對dui流liu方fang法fa。相xiang比bi之zhi下xia，風feng扇shan是shi一yi種zhong有you源yuan的de強qiang製zhi風feng冷leng係xi統tong。

 

先從散熱器開始

 

散熱器是鋁或銅結構，可通過傳導作用從熱源獲取熱量，並將熱量傳到氣流（在某些情況下，傳到水或其他液體）中以實現對流。散熱器有數千種尺寸規格和形狀，從連接單個晶體管的小型衝壓金屬翅片（圖2）到具有許多可以攔截對流空氣流並將熱量傳輸到該氣流的翅片（指形）的大型擠壓件（圖3）。

 

圖2：用簡單金屬片製成的Aavid Thermalloy 574502B00000G散熱片設計為滑動到TO-220封裝晶體管上，具有21.2C/W的熱阻，尺寸大約10×22×19mm（資料來源：Aavid Thermalloy）

 

圖3：來自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和模塊而設計
，最小的尺寸約為60×60×20mm
，最大的尺寸為60×110×25mm（資料來源：Cincom Electronics）

 

散(san)熱(re)器(qi)的(de)優(you)點(dian)之(zhi)一(yi)是(shi)沒(mei)有(you)移(yi)動(dong)部(bu)件(jian)，沒(mei)有(you)運(yun)行(xing)成(cheng)本(ben)，也(ye)沒(mei)有(you)故(gu)障(zhang)模(mo)式(shi)。一(yi)旦(dan)適(shi)當(dang)尺(chi)寸(cun)的(de)散(san)熱(re)器(qi)連(lian)接(jie)到(dao)熱(re)源(yuan)，隨(sui)著(zhe)暖(nuan)空(kong)氣(qi)上(shang)升(sheng)

，對(dui)流(liu)就(jiu)會(hui)自(zi)然(ran)而(er)然(ran)地(di)發(fa)生(sheng)，從(cong)而(er)開(kai)始(shi)並(bing)持(chi)續(xu)形(xing)成(cheng)氣(qi)流(liu)。因(yin)此(ci)，在(zai)使(shi)用(yong)散(san)熱(re)器(qi)給(gei)熱(re)源(yuan)的(de)入(ru)口(kou)和(he)出(chu)口(kou)之(zhi)間(jian)提(ti)供(gong)暢(chang)通(tong)的(de)氣(qi)流(liu)時(shi)，這(zhe)些(xie)優(you)點(dian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。而(er)且(qie)
，入(ru)口(kou)必(bi)須(xu)在(zai)散(san)熱(re)器(qi)的(de)下(xia)方(fang)並(bing)且(qie)出(chu)口(kou)在(zai)上(shang)方(fang)；否則，熱空氣會停滯在熱源之上，從而使情況進一步惡化。

 

盡管散熱器易於使用，但它也的確有一些負麵影響。首先，傳熱量大的散熱器體積大

、成本高、重zhong量liang大da。而er且qie它ta們men必bi須xu正zheng確que放fang置zhi
，因yin此ci會hui影ying響xiang或huo限xian製zhi電dian路lu板ban的de物wu理li布bu局ju。它ta們men的de翅chi片pian也ye可ke能neng被bei氣qi流liu中zhong的de灰hui塵chen堵du塞sai，從cong而er大da大da降jiang低di效xiao率lv。它ta們men必bi須xu正zheng確que連lian接jie到dao熱re源yuan上shang，以yi使shi熱re量liang能neng夠gou暢chang通tong地di從cong熱re源yuan流liu向xiang散san熱re器qi。

 

由於散熱器在尺寸
、配置以及其他因素上有非常豐富的選擇，剛開始會使我們在選購時眼花繚亂。請注意

，有許多通用散熱器以及針對特定集成電路（IC），例如特定處理器或現場可編程門陣列（FPGA）型號的散熱器。

 

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到其PC板上，以此來起到散熱器的作用。還有一些IC在其封裝下有一個銅塞
，當它被焊接到PC板上時，這個金屬塊可用於為芯片降溫。這是一種低成本而又有效的散熱方式，但是這得假定PCbanqiyubufenwendujiaodibingqiefujinmeiyouqitazujianyeshiyonggaibansanre。shijishang，meigeqijiandoushitujiangduoyudefeirepaifangdaolinjinquyu，zheshiyichanglingheyouxi。

 

添加熱管

 

熱管理套件的另一個重要器件是熱管（圖4）。這種無源組件接近於工程師所期望的“幾乎無成本”，因為它不需要任何形式的主動強製機製就可以將熱量從A點傳送到B點dian。簡jian而er言yan之zhi
，熱re管guan就jiu是shi包bao含han芯xin和he工gong作zuo流liu體ti的de密mi封feng金jin屬shu管guan。熱re管guan的de作zuo用yong是shi從cong熱re源yuan吸xi收shou熱re量liang並bing將jiang其qi傳chuan送song到dao較jiao冷leng的de區qu域yu，但dan它ta本ben身shen不bu作zuo為wei散san熱re器qi。當dang熱re源yuan附fu近jin沒mei有you足zu夠gou的de空kong間jian放fang置zhi散san熱re器qi或huo氣qi流liu不bu足zu時shi便bian可ke以yi使shi用yong熱re管guan。熱re管guan工gong作zuo效xiao率lv高gao，可ke以yi將jiang熱re量liang從cong源yuan頭tou傳chuan送song到dao更geng便bian於yu管guan理li的de地di方fang。

 

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

 

熱管是如何工作的
？它的原理簡單而巧妙：tashixianlexingtaizhuanbian，zheshirewulixuedeyigejibenyuanli。reyuanzaimifengguanneijianggongzuoliutizhuanbianchengzhengqi，erzhengqidaizhereliangchuandidaoreguandejiaolengduan。zaizheyiduan，zhengqilengningchengyetibingshifangchureliang
，erliutizaifanhuidaojiaoreduan。zhezhongqi-液形態轉變過程是連續運行的，並且僅由冷端和熱端的溫度差驅動。

 

熱re管guan有you多duo種zhong直zhi徑jing和he長chang度du，大da部bu分fen的de直zhi徑jing大da約yue在zai四si分fen之zhi一yi英ying寸cun到dao二er分fen之zhi一yi英ying寸cun之zhi間jian，長chang度du在zai幾ji英ying寸cun到dao約yue一yi英ying尺chi之zhi間jian。與yu水shui管guan一yi樣yang，直zhi徑jing大da的de管guan道dao能neng傳chuan送song更geng多duo的de熱re量liang。在zai冷leng端duan連lian接jie散san熱re器qi或huo其qi他ta冷leng卻que裝zhuang置zhi可ke以yi解jie決jue氣qi流liu受shou阻zu的de局ju部bu熱re點dian的de散san熱re問wen題ti。

 

添加風扇

 

最後還有風扇（圖5），它(ta)標(biao)誌(zhi)著(zhe)拋(pao)開(kai)無(wu)需(xu)電(dian)源(yuan)的(de)無(wu)源(yuan)散(san)熱(re)器(qi)和(he)熱(re)管(guan)，走(zou)向(xiang)強(qiang)製(zhi)風(feng)冷(leng)的(de)有(you)源(yuan)散(san)熱(re)裝(zhuang)置(zhi)的(de)第(di)一(yi)步(bu)。風(feng)扇(shan)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)散(san)熱(re)問(wen)題(ti)

，但(dan)也(ye)有(you)讓(rang)人(ren)頭(tou)痛(tong)的(de)地(di)方(fang)，所(suo)以(yi)設(she)計(ji)師(shi)在(zai)使(shi)用(yong)時(shi)往(wang)往(wang)心(xin)情(qing)複(fu)雜(za)。

 

圖5：Delta Electronics的ASB0305HP-00CP4微型風扇
，30mm直徑x6.5mm深，采用單個+5V脈寬調製器（PWM）信號
，能夠提供約0.144m3/min的氣流。它由PWM信號驅動，並包含轉速計反饋信號（資料來源：Delta Electronics）

 

henxianran，fengshanhuizengjiachengben，xuyaokongjian，bingqiezengjialexitongzaoyin。zuoweiyizhongjidianqijian
，fengshanhairongyifashengguzhang，xiaohaonengliangbingyingxiangzhenggexitongdexiaolv。danzaixuduoqingkuangxia，youqishidangqiliulujingwanqu、垂chui直zhi或huo者zhe不bu暢chang通tong時shi
，它ta們men通tong常chang是shi獲huo得de足zu夠gou氣qi流liu的de唯wei一yi途tu徑jing。許xu多duo應ying用yong都dou使shi用yong那na些xie僅jin在zai需xu要yao時shi才cai運yun行xing的de熱re控kong製zhi風feng扇shan以yi降jiang低di轉zhuan速su，從cong而er降jiang低di功gong耗hao，並bing采cai用yong可ke在zai最zui佳jia運yun行xing速su度du下xia最zui大da限xian度du降jiang低di噪zao音yin的de葉ye片pian。

 

定義風扇能力的關鍵參數是每分鍾空氣的單位長度或單位體積流量。物理尺寸也是一個問題；顯(xian)然(ran)，低(di)轉(zhuan)速(su)大(da)風(feng)扇(shan)可(ke)以(yi)產(chan)生(sheng)與(yu)高(gao)轉(zhuan)速(su)小(xiao)風(feng)扇(shan)相(xiang)同(tong)的(de)氣(qi)流(liu)，因(yin)此(ci)存(cun)在(zai)尺(chi)寸(cun)與(yu)速(su)度(du)的(de)取(qu)舍(she)平(ping)衡(heng)。有(you)些(xie)設(she)計(ji)使(shi)用(yong)內(nei)部(bu)導(dao)風(feng)板(ban)來(lai)引(yin)導(dao)氣(qi)流(liu)通(tong)過(guo)熱(re)區(qu)域(yu)和(he)散(san)熱(re)器(qi)以(yi)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)性(xing)能(neng)。

 

建模及綜合仿真

 

單(dan)獨(du)使(shi)用(yong)無(wu)源(yuan)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)還(hai)是(shi)使(shi)用(yong)強(qiang)製(zhi)風(feng)冷(leng)的(de)有(you)源(yuan)係(xi)統(tong)往(wang)往(wang)是(shi)一(yi)個(ge)困(kun)難(nan)的(de)決(jue)定(ding)。單(dan)獨(du)的(de)無(wu)源(yuan)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)較(jiao)大(da)，但(dan)更(geng)高(gao)效(xiao)且(qie)可(ke)靠(kao)，而(er)風(feng)扇(shan)卻(que)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)能(neng)單(dan)獨(du)使(shi)用(yong)無(wu)源(yuan)冷(leng)卻(que)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)。

 

dangran，youxieqingkuangxiadandushiyongwuyuanxitongshibuqiadanghuozhebuqieshijide。qizhongyigelizishiqichefadongjidereguanliwenti。zaoqishiyongxiaoxingfadongjideqicheyiqigangdingbudechipianzuoweisanreqi，jinxingwuyuanlengque。suizhefadongjidebiandaherefuhedezengjia，zhexiechipianbiandedaerbenzhong，yincijiarulexunhuanliutiyijiangreliangcongchipianshangdaizoubingchuansongdaosanreqi。dangqicheyidongshikongqitongguogaisanreqiliudong，zheyeshiyizhongwuyuansanrexitong。danzuizhong，suizhefadongjibiandegengda，wuyuansanrefangfayiwufamanzuxuqiu
，chufeicheliangyidong，fouzehenrongyiguore。yinci
，zaisanreqihoumianzengjiayigefengshan，buguanqichedesuduruhe，douhuirangkongqitongguota。

 

建jian模mo和he仿fang真zhen對dui於yu高gao效xiao熱re管guan理li策ce略lve至zhi關guan重zhong要yao，可ke用yong來lai確que定ding需xu要yao多duo少shao冷leng氣qi以yi及ji如ru何he實shi現xian冷leng卻que。好hao消xiao息xi是shi

，這zhe比bi射she頻pin或huo電dian磁ci場chang的de寄ji生sheng和he異yi常chang等deng其qi他ta類lei型xing的de電dian子zi建jian模mo要yao容rong易yi和he精jing確que得de多duo。

 

對於微型模型來說，熱源及其所有熱量流通路徑的特征在於它們的熱阻，而熱阻由其使用的材料、質量和尺寸決定。通過建模可顯示熱量如何從熱源流出

，建模也是評估因自身散熱而導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。這些器件的供應商通常提供熱模型，而這些模型能夠提供從熱源到器件表麵的熱路徑細節（圖6）。

 

圖6：所安裝FET的機械模型（左）用於開發等效的熱阻模型（右）
，以模擬器件的散熱情況（資料來源：International Rectifier/Infineon）

 

請qing注zhu意yi，對dui於yu某mou些xie組zu件jian，其qi各ge個ge表biao麵mian的de溫wen度du可ke能neng不bu同tong。例li如ru，芯xin片pian的de底di麵mian自zi然ran會hui比bi封feng裝zhuang頂ding部bu的de頂ding麵mian更geng熱re一yi些xie，所suo以yi供gong應ying商shang可ke能neng會hui將jiang封feng裝zhuang設she計ji為wei向xiang頂ding部bu傳chuan送song更geng多duo的de熱re量liang，從cong而er更geng好hao地di利li用yong頂ding麵mian散san熱re器qi。

 

yidangezujiandaibiaoderefuzaiyizhi
，xiayibujiushihongguancengmianjianmo
，zheyidianjijiandanyoufuza。zuoweiyijiejinsi，tongguogezhongreyuandeqiliukeyitiaozhengdaxiaoyijiangqiwendubaochizaiyunxudexianzhiyixia。shiyongkongqiwendu、非強製氣流可用流量
、風扇氣流量和其他因素進行基本的計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、外殼表麵和其他因素
，對整個產品及其封裝進行更複雜的建模。這種類型的建模基於計算流體動力學（CFD）
，可以非常準確地顯示封裝中每個位置的溫度（圖7）。

 

圖7：使用計算流體動力學（CFD）分析，可以看到整個係統或電路板上的詳細熱分布情況。例如圖中可以看出該PC板有三個主要熱源（紅色），並且熱量可以在擴展板上左右流動（資料來源：Texas Instruments）

 

通過做出“假設”tiaozheng，shejirenyuankeyizhakangengdadekongqiduankoushifouxuyaogengduokongqi，quedingqitaqiliulujingshifougengyouxiao，shibieshiyonggengdahuobutongsanreqidechayizhichu，tiaozhaguanyushiyongreguanyidongrediandeqingkuangdeng。zhexieCFD建模軟件包可生成表格化數據以及散熱情況的彩色圖像。風扇尺寸、氣流和位置的影響變化也很容易建模。

 

最後，建模還要解決另外兩個問題。首先，熱管理存在峰值與平均耗散的問題。熱耗散持續為1W的穩態組件與熱耗散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，相關的熱質量和熱流量也會導致不同的熱分布。大多數CFD應用程序可以將靜態與動態結合起來進行分析。

 

其次
，組件級微型模型必須考慮表麵之間物理連接的不完善性，例如ICfengzhuangdingbuyusanreqizhijiandewulilianjie。ruguozhegelianjieyouweixiaodejianju
，namezhetiaolujingderezujiuhuixiangduijiaogao。yinci，zaizhexiebiaomianzhijiantongchangshiyongbodedaoredianlaizengqianglujingdedaorexing（圖8）。

 

圖8：由於存在微小的氣隙，用戶通常可以插入導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熱接口高柔性矽基墊（資料來源：Bergquist Company）

 

結論

 

reguanlishidianyuanguanlideyigezhongyaofangmian
，taxuyaojiangzujianhexitongbaochizaiwenduxianzhifanweinei。wuyuanjiejuefangancongsanreqihereguankaishi
，bingkeyishiyongfengshanjinxingyouyuanlengqueershisanrexiaoguodedaozengqiang。zujianjihechengpinjidexitongjianmoyunxushejirenyuanduisanrecelvejinxingyijiejinsifenxi。shiyongjisuanliutidonglixuezuojinyibufenxikeyiquanmianlejiezhengtireliangqingkuangyijisanrecelvebianhuadeyingxiang。suoyoudereguanlijiejuefangandoushejichicun、功率、效率、重量、可靠性以及成本等方麵的權衡


，並且必須對項目的優先級和約束條件進行評估。

 

作者：Bill Schweber

 

Bill Schweber是貿澤電子撰稿人，也是一名電子工程師。他撰寫了三本關於電子通信係統的教科書，以及數百篇技術文章、意見專欄和產品功能介紹。在過去的職業生涯中
，他曾擔任多個EE Times子網站的網站管理員以及EDN執行編輯和模擬技術編輯。他在ADI公司（模擬與混合信號IC的領先供應商）負責營銷傳播工作
，因此他在技術公關職能的兩個方麵都很有經驗，既能向媒體展示公司產品、故事和信息，也能作為這些信息的接收者。

 

在擔任ADI的MarCom職位之前
，Bill曾是一名備受尊敬的技術期刊副主編
，並曾在其產品營銷和應用工程團隊工作。在擔任這些職務之前，他曾在英斯特朗公司（Instron Corp.）實操模擬和電源電路設計以及用於材料測試機器控製的係統集成。

 

他擁有哥倫比亞大學電子工程學士學位和馬薩諸塞大學電子工程碩士學位，是注冊專業工程師
，並持有高級業餘無線電執照。他還規劃、編寫並演示了各種工程主題的在線課程
，包括MOSFET基礎知識

，ADC選擇和驅動LED。

 

來源：貿澤電子

 

 

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