電子系統熱管理方案

　　障礙與路徑分析法

　　電子設備的溫度越高，其可靠性和性能都會(huì )下降，這就是過(guò)熱現象。處理器、FPGA、LED照明、便攜式產(chǎn)品和電源部分容易產(chǎn)生過(guò)熱。例如市面上可以見(jiàn)到一些公司宣布筆記本電腦的電源部分因過(guò)熱而召回，就是因為溫度過(guò)高會(huì )導致其性能下降。

　　現在電子設備的功能越來(lái)越多，但體積卻越來(lái)越小，所以散發(fā)出的熱量必須要最快地被排走，否則就會(huì )導致過(guò)熱。因此從IC(集成電路)封裝到PCB(印制板)以及整個(gè)電子系統，都要考慮過(guò)熱并采取合理的散熱方法。

　　市場(chǎng)上誕生了專(zhuān)業(yè)做設計、熱仿真和熱測試的EDA工具供應商，例如Mentor Graphics、Zuken等。近日，Mentor Graphics的三維計算流體力學(xué)FloTHERM軟件(CFD)，創(chuàng )新性地采用了散熱障礙(Bn)和散熱捷徑(Sc)分析技術(shù)。Mentor 系統設計部市場(chǎng)開(kāi)發(fā)總監John Isaac稱(chēng)，現在工程師可用一種非破壞的方式(即不需要把原來(lái)的樣品分割來(lái)看里面的熱特性)，就能明確IC、PCB或者整個(gè)系統的熱流阻礙在哪里，以及為什么會(huì )出現熱流故障，同時(shí)還能確定解決散熱設計問(wèn)題最快最有效的散熱捷徑。

　　散熱障礙與散熱路徑分析

　　散熱主要有三個(gè)途徑：輻射、傳導、自然對流。

　　就像河流中形成一些堰塞湖(障礙)，或者蜿蜒的路一樣(路徑)，在電子設計中，一些熱量會(huì )淤積在某處，或過(guò)長(cháng)的散熱路徑影響散熱效率。

　　散熱障礙

　　為了說(shuō)明方便，一般把溫度從低到高用藍色、黃色、橙色到紅色代表。我們可做如圖1的實(shí)驗，左上圖的案例是一塊鐵板，把它降為0℃，然后再把它接上100W電源，這時(shí)會(huì )有熱量傳導過(guò)來(lái)，鐵板溫度改變，受電端達到90℃，但板子另一端還是0℃左右，因為這個(gè)板子導熱很快。左下實(shí)驗在冷卻板——鐵板的中間替換成塑料，因為塑料不導熱，在加熱的時(shí)候，由于受到了阻擋，鐵板通電處的溫度就升高到了130℃，可見(jiàn)材料的改變可能會(huì )改變你的散熱效果。右上圖所有的條件都與左上圖一樣，還是鐵，但中間變細了，當你通電以后，這塊板變細部分形成了瓶頸。

　　這個(gè)實(shí)驗說(shuō)明，材料或結構的改變都會(huì )改變散熱性能。

　　Mentor的經(jīng)驗公式是(圖1右下圖)：

　　Bn/Bn(max)=│熱通量│x│溫度梯度│x│角度余弦函數│

　　散熱捷徑

　　當你的熱流路徑要走很長(cháng)時(shí)，路過(guò)的區域越多，散熱肯定更慢。

　　圖2還是圖1形狀一樣的板子，但是用不同的材料，加熱仍是100W，但上側換成了銅(銅是導熱最好的材料之一)，下面是塑料，用Mentor的FloTHERM 9工具分析后，就會(huì )顯示某些地方高亮，就知道哪些地方散熱有問(wèn)題，并考慮怎么能夠讓熱散得更塊——因為塑料導熱性很差，因此把塑料換成銅后(圖2右圖)，熱量散得更快。