电子系统热管理方案

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  障碍与路径分析法

  电子设备的温度越高,其可靠性和性能都会下降,这就是过热现象。处理器、FPGA、LED照明、便携式产品和电源部分容易产生过热。例如市面上可以见到一些公司宣布笔记本电脑的电源部分因过热而召回,就是因为温度过高会导致其性能下降。

  现在电子设备的功能越来越多,但体积却越来越小,所以散发出的热量必须要最快地被排走,否则就会导致过热。因此从IC(集成电路)封装到PCB(印制板)以及整个电子系统,都要考虑过热并采取合理的散热方法。

  市场上诞生了专业做设计、热仿真和热测试的EDA工具供应商,例如Mentor Graphics、Zuken等。近日,Mentor Graphics的三维计算流体力学FloTHERM软件(CFD),创新性地采用了散热障碍(Bn)和散热捷径(Sc)分析技术。Mentor 系统设计部市场开发总监John Isaac称,现在工程师可用一种非破坏的方式(即不需要把原来的样品分割来看里面的热特性),就能明确IC、PCB或者整个系统的热流阻碍在哪里,以及为什么会出现热流故障,同时还能确定解决散热设计问题最快最有效的散热捷径。

  散热障碍与散热路径分析

  散热主要有三个途径:辐射、传导、自然对流。

  就像河流中形成一些堰塞湖(障碍),或者蜿蜒的路一样(路径),在电子设计中,一些热量会淤积在某处,或过长的散热路径影响散热效率。

  散热障碍

  为了说明方便,一般把温度从低到高用蓝色、黄色、橙色到红色代表。我们可做的案例是一块铁板,把它降为0℃,然后再把它接上100W电源,这时会有热量传导过来,铁板温度改变,受电端达到90℃,但板子另一端还是0℃左右,因为这个板子导热很快。左下实验在冷却板——铁板的中间替换成塑料,因为塑料不导热,在加热的时候,由于受到了阻挡,铁板通电处的温度就升高到了130℃,可见材料的改变可能会改变你的散热效果。所有的条件都是铁,但中间变细了,当你通电以后,这块板变细部分形成了瓶颈。

  这个实验说明,材料或结构的改变都会改变散热性能。

  Mentor的经验公式是:

  Bn/Bn(max)=│热通量│x│温度梯度│x│角度余弦函数│

  散热捷径

  当你的热流路径要走很长时,路过的区域越多,散热肯定更慢。

  用不同的材料,加热仍是100W,但换成了铜(铜是导热最好的材料之一),下面是塑料,用Mentor的FloTHERM 9工具分析后,就会显示某些地方高亮,就知道哪些地方散热有问题,并考虑怎么能够让热散得更块——因为塑料导热性很差,因此把塑料换成铜后,热量散得更快。