工程師可以設計一個熱管理系統,以滿足他們的需求,評估冷卻設備的權衡。

所有的電子系統都在最高和最低的溫度范圍內工作,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,我們期望電子系統為我們做的工作比過去多得多。上世紀90年代的一款手機可以打電話發(fā)短信,但我們預計一款尺寸大致相同的現代智能手機可以在5G網絡上傳輸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更加密集。這就是為什么我們看到強調提高電力設備的轉換效率,如用于電動車輛的MOSIFT。他們控制著如此巨大的能量,以至于他們的轉換效率單個百分點的提高可以轉化為車輛里程值的增加--以及更低的系統冷卻成本。

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、對流和輻射。這三種方法都在冷卻電子產品中發(fā)揮作用,但其實施情況和有效性各不相同。

感應是熱能量在接觸的物體之間的轉移,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移成為可能。

對流是指通過空氣或其他流體介質的移動轉移熱能。當應用于電路設計或設備冷卻時,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,依靠溫度梯度驅動的自然空氣循環(huán),或者是強迫的,利用風扇或鼓風機來提高氣流速度,從而提高散熱率。

雖然對流的導熱系數一般比導電低,但它在散熱器設計、圍護和整體系統冷卻中起著關鍵作用。通常,它是傳熱的最后階段,在這一階段,傳導將熱量從裝置轉移到散熱器或表面,然后對流將其從系統中完全清除。

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轉移出去。在這種方法中,電荷粒子在物質中的運動和相互作用產生耦合的電場和磁場,將粒子熱的動能轉化為電磁能,然后從源頭傳播。輻射通常只對真空中的應用非常重要,因為在真空中,傳導和對流是沒有選擇的。在大多數熱管理情況下,輻射是相對無效的,因此在熱計算中經常被忽略。

在根據這三項原則設計電子冷卻系統時,必須注意到,理論上預期發(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。

熱阻抗是一個函數的材料,形狀和尺寸的接口,較低的熱阻抗數字意味著更容易的熱能轉移。熱阻抗的概念可以用來計算系統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、對流和輻射的概念,加上熱阻抗,提供了基本的工具,設計者可以利用這些工具為當今日益要求的電子應用開發(fā)有效的熱解決方案。

熱管理部分概述

在現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,但當它們被整合到一個綜合系統中時,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。散熱器經常與風扇搭配,以通過盡量減少局部的熱停滯來提高散熱效率。

設計效益:

· 由鋁或銅等材料制成,用于高導熱性

· 可靠無移動部件,確保接近零故障率

· 在手術過程中價格低廉且安靜。

設計限制:

· 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,效果就不那么好

風扇和鼓風機

風扇和鼓風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。風扇可以減小散熱器的尺寸,但應謹慎選擇,以平衡噪音、可靠性和氣流需求。

設計效益:

· 可提供各種尺寸、形狀和電壓等級,為各種應用提供靈活性

· 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,使反饋系統能夠集成到動態(tài)熱調節(jié)

設計限制:

· 在操作過程中需要外力和產生噪音

· 移動部件容易磨損,降低了長期可靠性

· 與被動方法相比,增加了設計的復雜性

佩蒂埃裝置

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

設計效益:

· 能在環(huán)境溫度下冷卻設備,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用

設計限制:

· 使用大功率,將額外熱量引入系統

· 一般來說比風扇或散熱器更貴

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

系統設計考慮

在設計熱管理系統時,評估成本、尺寸、可靠性和耗電量之間的權衡是至關重要的。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,設計者可以定制一個熱管理計劃,以滿足其應用的具體需求。

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。

假設在10×15毫米封裝中有一個設備，在穩(wěn)定狀態(tài)下產生3.3 W的熱量。其目標是在50攝氏度的環(huán)境環(huán)境下，將設備的運行溫度保持在40攝氏度，而不超過80攝氏度的系統要求。提出了一種基于熱界面材料(TIM)、散熱器和風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,有效地管理了設備的熱需求。

有效的熱管理對于確保電子系統的最佳性能和壽命至關重要。綜合解決方案,如散熱器、風扇和Peler模塊,通常用于冰箱、暖通空調系統、3d打印機和除濕器等消費設備,它們有助于保持操作效率和防止過熱。在科學和工業(yè)設備中,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的實現使工程師能夠設計在其熱設計限度內運行的系統,提高可靠性,延長設備壽命。