給電子系統降溫 選對這幾種基礎組件很重要！

電子系統的密度越來(lái)越大，溫度也越來(lái)越高，這意味著(zhù)許多系統將需要采用某種方法來(lái)管理熱量。雖然并不是每項設計都需要開(kāi)發(fā)熱管理解決方案，但要避免關(guān)鍵部件因溫度升高而損壞，設計人員對熱量產(chǎn)生、移動(dòng)和消除的基本理解是至關(guān)重要的。最后，熱管理需要在早期設計階段就加以考慮，而不是在最終設計中作為一個(gè)創(chuàng )可貼式的解決方案。

熱管理基礎知識

由于市場(chǎng)對電子系統的要求越來(lái)越高，理論上規定了用于部件冷卻的三種熱量傳遞方式：傳導、對流和輻射。

在傳導方式下，通過(guò)兩個(gè)物體之間的物理接觸轉移熱能，其中較冷的物體自然地從較熱的物體中吸取能量，也許傳導是最有效的能量傳遞方法。一般來(lái)說(shuō)，這種方法只需要最小的表面積就能傳遞最大的能量。

圖 1：現實(shí)中的熱傳導圖片:（圖片來(lái)源：CUI Devices）

第二，對流通過(guò)空氣的運動(dòng)重新分配熱能。當較冷的空氣流經(jīng)較熱的物體時(shí)，會(huì )從物體上吸收熱量，并在繼續流過(guò)設備時(shí)將熱量帶走。這種方法可以通過(guò)自然空氣對流或風(fēng)扇強制空氣對流來(lái)完成。

圖 2：現實(shí)中的對流（圖片來(lái)源：CUI Devices）

第三，輻射是以電磁波形式的發(fā)射能量。相對而言，這種方法相當無(wú)效，而且在大多數熱計算中都會(huì )被忽略，因為這種方式通常只適用于真空應用，真空條件下不可能選擇傳導或對流。從原理上講，輻射是通過(guò)熱粒子振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電磁波來(lái)傳遞熱量的。

圖 3：現實(shí)中的輻射。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

雖然不是上述三個(gè)基本熱學(xué)概念之一，但也有必要提及熱阻或熱阻抗，這個(gè)參數可以用來(lái)量化物體之間的熱傳遞效果，且在進(jìn)行熱管理解決方案設計時(shí)被廣泛使用。簡(jiǎn)單地說(shuō)，熱阻抗越低，能量傳遞就越好。利用熱阻抗和給定的環(huán)境溫度，可以準確地計算出在達到一定溫度之前能夠耗散多少功率。

熱管理基礎組件

常見(jiàn)的電子系統冷卻方法有三種：散熱器、風(fēng)扇和珀爾帖模塊。以上每種器件都可單獨使用，但如果組合使用時(shí)，可以達到更優(yōu)的散熱效果。

散熱器有許多形狀和尺寸選擇。散熱器用來(lái)提高對流冷卻效果，具體方法是減少其所連接的設備和冷卻介質(zhì)（通常是空氣）之間的熱阻抗。散熱器通過(guò)增加對流表面積來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，而且采用熱阻抗低于典型半導體的材料制成。散熱器成本很低，幾乎從不發(fā)生故障或磨損，但往往會(huì )增加其所冷卻的電子系統的體積。作為一種無(wú)源組件，散熱器通常與風(fēng)扇組合使用，以便更有效地將消散的熱能從系統中移走。風(fēng)扇或風(fēng)機在散熱器上形成穩定的新鮮冷空氣流，以保持散熱器和冷卻空氣之間的溫差，從而確保持續有效的熱傳遞。

風(fēng)扇和風(fēng)機有各種形狀和尺寸，并提供各種不同的功率選擇。產(chǎn)生氣流的能力就是其關(guān)鍵的技術(shù)規格，通常以立方英尺/分鐘  (CFM)  為單位。有些風(fēng)扇和風(fēng)機帶有控制器，因此可以作為基于反饋的控制系統的一部分用來(lái)調節轉速，以符合當前的冷卻需求。風(fēng)扇有助于改善冷卻，但設計時(shí)要考慮風(fēng)扇需要電源，有時(shí)還需要控制電路。與散熱器相比，風(fēng)扇也可能產(chǎn)生噪音，包含活動(dòng)部件，因此更容易發(fā)生故障。

珀爾帖器件是利用珀爾帖效應將熱量從模塊的一側傳遞到另一側的半導體元件。為了移動(dòng)熱量，必須向珀爾帖設備提供能量，這實(shí)際上增加了系統的熱量，所以它們最好與散熱器和風(fēng)扇一起使用。不過(guò)，珀爾帖模塊可以實(shí)現精確的溫度調節，可以將設備冷卻到環(huán)境溫度以下。像散熱器一樣，帕爾貼器件中沒(méi)有活動(dòng)部件，所以這種器件本身靈活、堅固，但同樣可能需要與風(fēng)扇、散熱器和控制電路一起使用，從而增加成本和復雜性。由于這些原因，珀爾帖模塊通常只用于最苛刻的應用，例如從元器件密集的電子系統中心吸收熱能。

計算熱能需求

無(wú)論最終的設計要求是什么，都可采用公認的方法為電子系統設計有效的冷卻解決方案。為了方便說(shuō)明工程師如何創(chuàng )建完整的熱管理解決方案，本文采用了一個(gè)假設性問(wèn)題和解決方案：

在本例中，我們將使用一個(gè)穩定狀態(tài)下可產(chǎn)生 3.3 W 熱量的 10 mm ×15 mm 封裝器件。該器件的工作環(huán)境溫度為 50℃，理想工作溫度為 40℃。該系統任何部分的溫度都不應超過(guò) 100℃。

圖 4 ：CP2088-219 規格書(shū)中珀爾帖模塊的性能圖（圖片來(lái)源：CUI Devices）

這些技術(shù)規格意味著(zhù)需要使用珀爾帖模塊將設備溫度降至環(huán)境溫度以下。CUI Devices 提供 CP2088-219 器件，這是一種微型珀爾帖模塊，可以消除 3.3 W 的熱能并為設備降溫，使其溫度比環(huán)境溫度低 10℃。珀爾帖模塊使用 SF600G 固定到設備上，這是一種熱界面材料 (TIM)，可以減少設備和冷卻器之間的熱阻抗。CP2088-219 的規格書(shū)（圖 4）顯示，珀爾帖模塊在 2.5V 電壓下需要 1.2 A 電流，這意味著(zhù)該模塊運行時(shí)會(huì )給系統增加 3W 的熱能。

為了從珀爾帖模塊中移除總共 6.3 W 的熱能，在模塊另一側安裝了散熱器（HSS-B20-NP-12），同樣使用 SF600G TIM 作為熱界面。TIM 的面積為 8.8 mm × 8.8 mm，熱阻略低于 1.08℃/W。

散熱器的熱阻為 3.47°C/W，假設該散熱器上的氣流為 200 直線(xiàn)英尺每分鐘 (LFM)。

這將使得 TIM 和散熱器組合的總熱阻達到 4.55℃/W。

為了提供 200LFM 穩定氣流，可使用 CFM-25B系列 風(fēng)扇。

該器件通過(guò) TIM 將需要冷卻的設備與珀爾帖模塊連接。珀爾帖模塊的上表面通過(guò)另一種 TIM 與散熱器相連，整個(gè)組件都置于 200 LFM 的 50℃ 空氣中。

圖 5：使用珀爾帖器件、兩層 TIM 和風(fēng)扇的熱管理解決方案

利用這些數據，就可以計算出設備的穩態(tài)溫度。珀爾帖模塊將保持其冷端為  40℃——但代價(jià)是給組件增加 3.3 W 的熱量。散熱器必須將 6.3 W 的熱量散發(fā)到 50℃  的氣流環(huán)境中，珀爾帖模塊和環(huán)境空氣之間的總熱阻為 4.55℃/W。用 6.3 W 乘以  4.55°C/W，就能確定比環(huán)境溫度高多少；在這種情況下，溫度為 28.67°C 或者總溫度為78.67°C。這遠遠低于 100°C  的要求，從而構成了滿(mǎn)足系統需求的熱管理解決方案。

結論

在制冷、暖通空調、3D 打印和除濕機等消費類(lèi)應用中，熱管理已必不可少。熱管理用于科學(xué)和工業(yè)應用，如 DNA合成的熱循環(huán)器和高精度激光器。散熱器、風(fēng)扇和珀爾帖模塊有助于確保復雜的電子系統維持在其熱設計極限之內。CUI Devices 提供了一系列熱管理組件，以簡(jiǎn)化這一關(guān)鍵的選擇過(guò)程。