缺少熱分析將使設計心血面臨危險

記得從什么時(shí)候開(kāi)始，熱分析意味著(zhù)撤回原型并確定是否需要額外加入兩個(gè)散熱片和一個(gè)風(fēng)扇嗎？現在再?lài)L試這種方式你將發(fā)現身處泥潭卻無(wú)計可逃。畢竟，熱可能會(huì )影響電氣性能并最終縮短平均無(wú)故障時(shí)間。

回顧我年富力強的工程時(shí)代，我在熱分析上從未花費太多時(shí)間，因為那時(shí)真的不需要，我還知道像我這樣的人并不是少數。但隨著(zhù)半導體每單位面積的功耗(及相應的發(fā)熱)越來(lái)越高，以及系統體積不斷縮小，越來(lái)越多未進(jìn)行熱分析的系統工程師發(fā)現自己身處困境。

“許多過(guò)去由不同器件分擔的功能現在被整合進(jìn)一個(gè)器件內?！盇nsys公司的產(chǎn)品經(jīng)理主管Dave Rosato表示。因此，現在SoC類(lèi)型器件的熱密度要高得多。

“工程師在5至10年前用于設計PCB的一般經(jīng)驗已完全不適應當今的設計了，”Rosato接著(zhù)說(shuō)?！皵的昵?，PCB作為熱傳輸路徑的角色是被忽略的?，F在，你必須將所有的熱傳輸路徑考慮在內?！?BR>
“簡(jiǎn)單解決方案”是指在設計周期中盡早實(shí)施熱分析。多早合適呢？最晚應在結構圖設計階段后立即就進(jìn)行基本熱分析。工程師需下載擬采用器件的數據手冊并從熱的角度體驗一下未來(lái)將遇到的挑戰。

若該分析指出了潛在的問(wèn)題，則工程師應考慮采用一些熱分析模擬軟件甚至還可能需要與材料廠(chǎng)商合作以確定它是否能制造出與設計參數相適應的一些東西。

筆記本電腦中的熱設計

最近，我自己的一臺筆記本電腦因與散熱片/熱管組塊集成在一起的風(fēng)扇電源故障而無(wú)法工作了。即使打開(kāi)機殼使大量冷空氣流通，這臺電腦也啟動(dòng)不了，甚至在系統執行典型的上電自檢(POST)前，“風(fēng)扇故障”的信息也一直出現。

當電腦感知到風(fēng)扇供電不正常時(shí)，系統立即停止運行?；诘募僭O如下：一般的筆記本電腦用戶(hù)在裝有空調的房間內不會(huì )打開(kāi)機蓋，因此，CPU會(huì )經(jīng)歷致命的“熱失控”。這種方法的不利之處是，由于風(fēng)扇(或連接風(fēng)扇的其它底層電源)不工作，而使整個(gè)系統也無(wú)法工作。

這是一個(gè)關(guān)于筆記本電腦制造商明確在沒(méi)有強制氣流流經(jīng)與CPU連接的散熱片時(shí)，CPU決不啟動(dòng)的好例子。該設計按照這些要求進(jìn)行了工程處理，因為筆記本電腦設計人員知道，不正確的熱管理意味著(zhù)危險即將到來(lái)。實(shí)際上，英特爾和AMD都非常嚴肅地對待這一問(wèn)題。

例如，“如果外部熱傳感器檢測到處理器溫度達到致命的125℃(最大值)，或有THERMTRIP#信號顯現，則在500ms之內，處理器的VCC電源必須關(guān)閉以防止因處理器熱失控造成的永久性硅損壞，”英特爾在其2008年1月版的Core 2 Duo Processor數據手冊中強調。

“保持合適的熱環(huán)境是系統長(cháng)期、可靠工作的關(guān)鍵。一個(gè)完善的熱方案包括器件和系統級熱管理功能，”該數據手冊寫(xiě)道。

“為保證基于英特爾處理器的系統的最優(yōu)化工作和長(cháng)期可靠性，系統/處理器熱方案應被設計為可使處理器維持在最低和最高結溫(TJ)規范之間，并遵從相應的熱設計功耗(TDP)值，”該手冊指出。

“注意：當處理器工作在這些極限指標之外，將可能導致處理器的永久性損壞以及系統內其它器件的潛在損傷，”該手冊總結說(shuō)。

為什么這些公司對消除不正確的熱管理如此興師動(dòng)眾？“許多應用(系統)正變得越來(lái)越小，例如Mac Air；而熱路徑不僅變得更短，而且還被重新排列了，”Lord公司高級微電子技術(shù)科學(xué)家Sara N. Paisner說(shuō)。

通常，散熱片被直接放置在器件上面。但最新技術(shù)將使熱量向其它方向流動(dòng)?！艾F在，散熱片可能被放在器件下面，或者，也可能熱通過(guò)電路板本身消散掉了，”P(pán)aisner指出。

但熱管理不再如此簡(jiǎn)單?！巴鈿げ牧贤瑫r(shí)擔當電磁場(chǎng)(EMF)屏蔽和散熱片的角色，這是由于殼體本身構成熱路徑的一部分，”P(pán)aisner表示。一個(gè)典型的PCB包括內置熱路徑，這使得系統設計師重新審視其設計策略。所有的器件都在縮小，現在，當為一個(gè)較大的區域散熱時(shí)，是由幾個(gè)器件共同分擔冷卻職責。

從芯片角度來(lái)看，英特爾和AMD針對正確熱設計采取的預防性措施很有趣。首先，英特爾指出，“為把溫度限制在工作條件內，處理器需要一個(gè)熱管理方案?！庇⑻貭柌捎脽岫O管、數字熱傳感器(DTS)和Intel Thermal Monitor來(lái)監測裸片溫度。

熱二極管可與熱傳感器一起用于計算硅溫度。DTS是集成一個(gè)裸片上的傳感器，它不停地監測并輸出相對于最高熱結溫的裸片溫度數據。當DTS中的一個(gè)特定位被置位時(shí)，將檢測到可導致災難性后果的溫度條件。

當硅片溫度達到最高限時(shí)，Intel Thermal Monitor通過(guò)啟動(dòng)一個(gè)熱控制電路來(lái)幫助控制處理器溫度。這樣，可以根據需要依次調整內核時(shí)鐘以使硅片溫度處于掌控中。