發布日期：2022-04-28 點擊率：40
【導讀】當電氣工程師提到“電源管理”這個詞時，大多數人會想到各種具有轉換器、穩壓器和其他功率處理以及功率轉換功能的直流電源。但是，電源管理遠不止這些功能。由于效率不夠，所有電源都會發熱并且所有組件都必須散熱。
因此，電源管理也涉及熱管理，尤其是電源相關功能的散熱會如何影響散熱設計與熱量累積。此外，即使組件和系統都在規格范圍內持續工作，隨著組件參數漂移，溫度的增加也會引起性能的變化。就算不是全盤崩潰，也會導致最終的系統故障。熱量還會縮短組件壽命，進而縮短平均故障間隔時間，這也是保證長期可靠性需要考慮的因素。
有兩個關于熱管理的觀點，設計人員必須了解：
● “微觀”問題，單個組件由于發熱過多而處于過熱危險中，但系統的其余部分（及其外殼）溫度在可接受范圍內。
● “宏觀”問題，由于多個來源的熱量累積而導致整個系統溫度過高。
一個設計挑戰是確定熱管理問題有多少屬于微觀，多少屬于宏觀，以及微觀問題與宏觀問題的關聯程度。很顯然，一個高溫組件甚至溫度超過了其允許的極限將會導致整個系統升溫，但這不一定意味著整個系統都很熱。但是，這意味著必須設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”等詞時始終要牢記的一個問題是：這些熱量要散到哪里去？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。
雖然這個觀點的確有點憤世嫉俗，但也有一定的道理。這里的關鍵就是要把熱量發散到較冷的地方，以免對系統產生不利影響。這個地方可以是系統和機箱的相鄰部分，也可以完全在機箱外部（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，否則熱量只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。在制冷模式下，熱傳導有三種方式：輻射、傳導和對流。（圖1）
圖1：熱傳遞有三種機制，特定情況下經常是三種機制一起使用，只是使用程度不同（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）帶走熱量，這種熱傳遞可以發生在真空中。在大多數應用中，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。
● 傳導是通過固體或液體的熱量流動，不過傳熱材料并不發生實際移動（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。
對于大多數電子系統來說，實現所需的冷卻是先以傳導的方式讓熱量離開直接熱源，然后再以對流的方式將其傳遞到其他地方。設計上的挑戰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、熱管和風扇。散熱器和熱管是無需電源的無源冷卻系統，其還包括自然引發的傳導和對流方法。相比之下，風扇是一種有源的強制風冷系統。
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，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沖壓金屬翅片（圖2）到具有許多可以攔截對流空氣流并將熱量傳輸到該氣流的翅片（指形）的大型擠壓件（圖3）。
圖2：用簡單金屬片制成的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）
散熱器的優點之一是沒有移動部件，沒有運行成本，也沒有故障模式。一旦適當尺寸的散熱器連接到熱源，隨著暖空氣上升，對流就會自然而然地發生，從而開始并持續形成氣流。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，這些優點至關重要。而且，入口必須在散熱器的下方并且出口在上方；否則，熱空氣會停滯在熱源之上，從而使情況進一步惡化。
盡管散熱器易于使用，但它也的確有一些負面影響。首先，傳熱量大的散熱器體積大、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有其他組件也使用該板散熱。實際上，每個器件都試圖將多余的廢熱排放到鄰近區域，這是一場零和游戲。
添加熱管
熱管理套件的另一個重要器件是熱管（圖4）。這種無源組件接近于工程師所期望的“幾乎無成本”，因為它不需要任何形式的主動強制機制就可以將熱量從A點傳送到B點。簡而言之，熱管就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域，但它本身不作為散熱器。當熱源附近沒有足夠的空間放置散熱器或氣流不足時便可以使用熱管。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：它實現了形態轉變，這是熱物理學的一個基本原理。熱源在密封管內將工作流體轉變成蒸汽，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-液形態轉變過程是連續運行的，并且僅由冷端和熱端的溫度差驅動。
熱管有多種直徑和長度，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的散熱問題。
添加風扇
最后還有風扇（圖5），它標志著拋開無需電源的無源散熱器和熱管，走向強制風冷的有源散熱裝置的第一步。風扇可以解決散熱問題，但也有讓人頭痛的地方，所以設計師在使用時往往心情復雜。
圖5：Delta Electronics的ASB0305HP-00CP4微型風扇，30mm直徑x6.5mm深，采用單個+5V脈寬調制器（PWM）信號，能夠提供約0.144m3/min的氣流。它由PWM信號驅動，并包含轉速計反饋信號（資料來源：Delta Electronics）
很顯然，風扇會增加成本，需要空間，并且增加了系統噪音。作為一種機電器件，風扇還容易發生故障，消耗能量并影響整個系統的效率。但在許多情況下，尤其是當氣流路徑彎曲、垂直或者不暢通時，它們通常是獲得足夠氣流的唯一途徑。許多應用都使用那些僅在需要時才運行的熱控制風扇以降低轉速，從而降低功耗，并采用可在最佳運行速度下最大限度降低噪音的葉片。
定義風扇能力的關鍵參數是每分鐘空氣的單位長度或單位體積流量。物理尺寸也是一個問題；顯然，低轉速大風扇可以產生與高轉速小風扇相同的氣流，因此存在尺寸與速度的取舍平衡。有些設計使用內部導風板來引導氣流通過熱區域和散熱器以獲得最佳性能。
建模及綜合仿真
單獨使用無源冷卻系統還是使用強制風冷的有源系統往往是一個困難的決定。單獨的無源系統尺寸較大，但更高效且可靠，而風扇卻可以在不能單獨使用無源冷卻的情況下發揮作用。
當然，有些情況下單獨使用無源系統是不恰當或者不切實際的。其中一個例子是汽車發動機的熱管理問題。早期使用小型發動機的汽車以汽缸頂部的翅片作為散熱器，進行無源冷卻。隨著發動機的變大和熱負荷的增加，這些翅片變得大而笨重，因此加入了循環流體以將熱量從翅片上帶走并傳送到散熱器。當汽車移動時空氣通過該散熱器流動，這也是一種無源散熱系統。但最終，隨著發動機變得更大，無源散熱方法已無法滿足需求，除非車輛移動，否則很容易過熱。因此，在散熱器后面增加一個風扇，不管汽車的速度如何，都會讓空氣通過它。
建模和仿真對于高效熱管理策略至關重要，可用來確定需要多少冷氣以及如何實現冷卻。好消息是，這比射頻或電磁場的寄生和異常等其他類型的電子建模要容易和精確得多。
對于微型模型來說，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面的熱路徑細節（圖6）。
圖6：所安裝FET的機械模型（左）用于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）
請注意，對于某些組件，其各個表面的溫度可能不同。例如，芯片的底面自然會比封裝頂部的頂面更熱一些，所以供應商可能會將封裝設計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載已知，下一步就是宏觀層面建模，這一點既簡單又復雜。作為一階近似，通過各種熱源的氣流可以調整大小以將其溫度保持在允許的限值以下。使用空氣溫度、非強制氣流可用流量、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、外殼表面和其他因素，對整個產品及其封裝進行更復雜的建模。這種類型的建模基于計算流體動力學（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，可以看到整個系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），并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”調整，設計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，識別使用更大或不同散熱器的差異之處，調查關于使用熱管移動熱點的情況等。這些CFD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。
最后，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。如果這個連接有微小的間距，那么這條路徑的熱阻就會相對較高。因此，在這些表面之間通常使用薄的導熱墊來增強路徑的導熱性（圖8）。
圖8：由于存在微小的氣隙，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熱接口高柔性硅基墊（資料來源：Bergquist Company）
結論
熱管理是電源管理的一個重要方面，它需要將組件和系統保持在溫度限制范圍內。無源解決方案從散熱器和熱管開始，并可以使用風扇進行有源冷卻而使散熱效果得到增強。組件級和成品級的系統建模允許設計人員對散熱策略進行一階近似分析。使用計算流體動力學做進一步分析可以全面了解整體熱量情況以及散熱策略變化的影響。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衡，并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。他撰寫了三本關于電子通信系統的教科書，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面都很有經驗，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，并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于材料測試機器控制的系統集成。
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，并持有高級業余無線電執照。他還規劃、編寫并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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