技术资讯 I 性能飙升的电子设备需要创新的热管理方案

 

本文要点

 

硬伤： 当设备温度超过器件的耐热极限，烧毁只是时间问题。

物理铁律： 根据牛顿冷却定律，温差越大，散热越快。

控制工作温度的绝招：给高功率器件人为增加表面积。

 

电子行业正以指数级速度日新月异。目前电子领域的研发活动侧重于将设备从低性能、低速系统转变为高性能、高计算速度的高功率密度系统。高功率密度电子设备是通过使用小型化器件实现的，从而减小了电路及其相关系统的 footprint。

 

但这也给电子设备的热管理带来了挑战。高功率密度电子设备这个极小的空间中，散热变得异常困难，甚至会严重影响使用寿命。要在高功率密度电子设备中实现高效散热，就必须采用创新的热管理方案，即散热器，可以有效地应用于高功率密度设计。

 

散热片是一种应用于高功率密度电子设计的热管理策略。

 

本文将讨论电子设备中的发热和散热，以及采用散热片在高功率密度电子设备中是否合适。

 

电子设备中的发热

 

电阻是电子设备发热的主要原因。电流流经导电通路时，通路上的阻抗会在电子设备中产生热量，通常称为 I2Rt 损耗。对于半导体而言，热量在 PN 结中产生，并从结区传导至外壳。通常而言，电子设备产生的热量会使内部器件温度升高。当电子设备过热时，设备实际温度高于热额定值的器件就会损坏。热量对电子设备造成的损坏往往是不可逆的。

 

电子设备中的散热

 

 

为了避免发热引起器件损坏，电子设备产生的热量必须散发到周围环境中。当设备内部产生的热量等于向周围散发的热量时，温度便停止上升，此时电子设备达到热平衡。

 

根据牛顿冷却定律，散热速率与物体（电子设备）和周围环境之间的温差成正比。当电子设备的散热速率等于其发热速率时，设备便处于平衡温度下运行。大多数电子设备的热平衡温度会缩短其使用寿命，甚至可能导致电子系统发生故障。

 

提高电子设备的散热速率

 

要使电子设备在发热时也能正常工作，必须提高散热速率，从而将工作温度降至热平衡温度以下。考虑散热策略时，电子设备所处的环境条件至关重要。大气密度高，有利于采用冷却技术降低设备工作温度；反之，若大气密度低，环境条件不利于提高散热速率，电子设备的工作温度就会升高。

 

为提升散热速率，电子设备中会采用各种热管理技术。例如，在计算机处理器中加装冷却风扇进行强制风冷，就是一种用于快速高效散热的热管理技术。与不通风的相同设备相比，采取一般通风措施也能降低设备工作温度。

 

提高电子设备散热效率的关键在于提供足够的表面积，使热量能从设备本体有效散发至周围环境。表面积越大，电子设备散发出去的热量就更多，工作温度就会降低。

 

然而，这种基于表面积的热管理技术在高功率密度电子器件中并不奏效。高功率密度电子设计中采用的技术之一是加装散热片，以实现更高的散热速率。

 

利用散热片提高散热速率

 

与传统器件相比，高密度电子设备的尺寸更小，因此其工作温度会迅速攀升并超出温度限制。如前所述，限制高功率密度器件工作温度的一种方法，是人为增大其表面积。为此，可以将散热片贴附在高功率密度器件上，以实现快速散热。

 

散热片通常由铜或铝制成，带有鳍片结构，有助于增大有效散热面积，实现高效散热。在高密度电子设计中，将散热片与其他热管理技术（如强制风冷或通风良好的外壳）结合使用，可以进一步提升散热速率。

 

高功率密度电子设备的散热问题将始终至关重要。为了降低器件工作温度，创新的热管理技术正在不断涌现。Cadence Celsius EC Solver 可以对电子系统散热性能进行准确快速的分析。即使是最复杂的电子系统，该工具也可以分析其中的流体流动和传热，并利用专有的多层非结构化网格划分技术求解所有传热模式。点击阅读下图阅读软件产品手册，了解 Celsius EC Solver 的核心优势和主要功能。