电子业热管理基础

[导读]所有的电子系统都在最高和最低的温度范围内工作,在这个范围之外,它们可能不能正常工作,甚至不能发生故障。本文着重讨论高温对电子系统的影响,以及将其冷却到指定工作温度范围的一些基本理论。

工程师可以设计一个热管理系统,以满足他们的需求,评估冷却设备的权衡。

所有的电子系统都在最高和最低的温度范围内工作,在这个范围之外,它们可能不能正常工作,甚至不能发生故障。本文着重讨论高温对电子系统的影响,以及将其冷却到指定工作温度范围的一些基本理论。

热管理正在成为电子设计中越来越紧迫的一个原因是,通过摩尔定律的集成,我们期望电子系统为我们做的工作比过去多得多。上世纪90年代的一款手机可以打电话发短信,但我们预计一款尺寸大致相同的现代智能手机可以在5G网络上传输4K视频。越来越多的工作正在完成,随着工作而来的是热。

我们还希望我们的电子系统更加密集。这就是为什么我们看到强调提高电力设备的转换效率,如用于电动车辆的MOSIFT。他们控制着如此巨大的能量,以至于他们的转换效率单个百分点的提高可以转化为车辆里程值的增加--以及更低的系统冷却成本。

热管理的基本概念

为了解决日益增长的冷却问题,有必要回顾一下我们对热能传递的三种方式的理解:传导、对流和辐射。这三种方法都在冷却电子产品中发挥作用,但其实施情况和有效性各不相同。

感应是热能量在接触的物体之间的转移,能量从较热的物体流到较冷的物体,直到两个物体的温度平衡。这通常是最有效的转移热能的方式,使两个物体之间接口的单位面积的最大能量转移成为可能。

对流是指通过空气或其他流体介质的移动转移热能。当应用于电路设计或设备冷却时,冷却器的空气通过热元件流动,通过热交换吸收热量并将其转移到周围环境中。这一过程可以是被动的,依靠温度梯度驱动的自然空气循环,或者是强迫的,利用风扇或鼓风机来提高气流速度,从而提高散热率。

虽然对流的导热系数一般比导电低,但它在散热器设计、围护和整体系统冷却中起着关键作用。通常,它是传热的最后阶段,在这一阶段,传导将热量从装置转移到散热器或表面,然后对流将其从系统中完全清除。

辐射是第三种方式,通过发射电磁波的能量将热能从电子系统转移出去。在这种方法中,电荷粒子在物质中的运动和相互作用产生耦合的电场和磁场,将粒子热的动能转化为电磁能,然后从源头传播。辐射通常只对真空中的应用非常重要,因为在真空中,传导和对流是没有选择的。在大多数热管理情况下,辐射是相对无效的,因此在热计算中经常被忽略。

在根据这三项原则设计电子冷却系统时,必须注意到,理论上预期发生的情况与实际发生的情况之间存在差距。在从理论到实践的过渡中,一个经常被忽视的问题是所涉材料和接口的热电阻或热阻抗。

热阻抗是一个函数的材料,形状和尺寸的接口,较低的热阻抗数字意味着更容易的热能转移。热阻抗的概念可以用来计算系统在达到某一特定温度之前能耗散多少功率,因为它是在已知的环境温度下运行的。

传导、对流和辐射的概念,加上热阻抗,提供了基本的工具,设计者可以利用这些工具为当今日益要求的电子应用开发有效的热解决方案。

热管理部分概述

在现有的许多冷却解决方案中,由于效率和成本效益的平衡,散热器、风扇和佩尔蒂埃模块是最突出的。虽然每一个都可以独立运作,但当它们被整合到一个综合系统中时,通常效果最好。

散热器

热吸收器是降低热生成装置(例如功率晶体管或处理器)与周围空气之间的热阻力的被动部件。通过增加对流表面积,使其能够更有效地向环境传热。散热器经常与风扇搭配,以通过尽量减少局部的热停滞来提高散热效率。

设计效益:

· 由铝或铜等材料制成,用于高导热性

· 可靠无移动部件,确保接近零故障率

· 在手术过程中价格低廉且安静。

设计限制:

· 由于有效散热所需的表面积,通常很大

· 如果没有诸如强制气流这样的辅助技术,效果就不那么好

风扇和鼓风机

风扇和鼓风机是一种主动冷却装置,用来在部件或散热器上方移动空气,打破停滞不前的暖空气层,改善对流传热。风扇可以减小散热器的尺寸,但应谨慎选择,以平衡噪音、可靠性和气流需求。

设计效益:

· 可提供各种尺寸、形状和电压等级,为各种应用提供灵活性

· 以每分钟立方英尺为单位,提高气流容量(CFM)

· 某些模型支持速度控制,使反馈系统能够集成到动态热调节

设计限制:

· 在操作过程中需要外力和产生噪音

· 移动部件容易磨损,降低了长期可靠性

· 与被动方法相比,增加了设计的复杂性

佩蒂埃装置

伯尔蒂埃器件利用伯尔蒂埃效应,在这种效应中,通过热电材料的电流在整个模块中产生温差。这些设备主动将热量从一边(冷面)转移到另一边(冷面),从而实现精确的温度控制。虽然成本昂贵,但在高性能或高精度的应用程序中,保持严格的热环境至关重要。

设计效益:

· 能在环境温度下冷却设备,这是一种无源部件无法使用的能力

· 无移动部件,提高可靠性

· 适合需要精确热管理的应用

设计限制:

· 使用大功率,将额外热量引入系统

· 一般来说比风扇或散热器更贵

· 作为独立的解决方案,效率低下,往往需要与散热器和风扇相结合,以有效地消散积累的热量

系统设计考虑

在设计热管理系统时,评估成本、尺寸、可靠性和耗电量之间的权衡是至关重要的。下面是每个冷却溶液的堆叠方式:

通过了解每个选项的优势和局限性,设计者可以定制一个热管理计划,以满足其应用的具体需求。

热计算实例

为了说明如何容易地创建一个集成的热解决方案,这里是一个简化的问题和解决方案的例子。

假设在10×15毫米封装中有一个设备，在稳定状态下产生3.3 W的热量。其目标是在50摄氏度的环境环境下，将设备的运行温度保持在40摄氏度，而不超过80摄氏度的系统要求。提出了一种基于热界面材料(TIM)、散热器和风扇的集成热管理解决方案。

· 佩尔蒂埃模块：在本例子中，同一Sky的CP30138H模块用于从设备上去除3.3 W的热量。该模块在1.8 A和2.6 V下工作，引入额外4.7 W的热量。

· 蒂姆:同样的天空 SF600G 蒂姆将设备连接到佩尔蒂埃模块,将模块连接到热吸收器,每个模块的热电阻均为1.08℃/W。

· 散热器:在这种情况下,相同的天空 HSB28-606022 热吸收器附在一起,具有400-lfm的气流,提供了0.9°C/W的热电阻。

· 范:同一个天空 CFM-40BG系列提供所需的400lfm气流。

热分析:

· Total heat load: Device (3.3 W) + Peltier module (4.7 W) = 8 W

· Total thermal resistance: TIM (1.08°C/W) + heat sink (0.9°C/W) = 1.98°C/W

· Temperature rise: 8 W × 1.98°C/W = 15.84°C

· Heat sink temperature: Ambient (50°C) + rise (15.84°C) = 65.84°C

这种配置确保热吸收器温度保持在80℃阈值以下,有效地管理了设备的热需求。

有效的热管理对于确保电子系统的最佳性能和寿命至关重要。综合解决方案,如散热器、风扇和Peler模块,通常用于冰箱、暖通空调系统、3d打印机和除湿器等消费设备,它们有助于保持操作效率和防止过热。在科学和工业设备中,用于DNA合成和精密激光的热循环仪等仪器利用先进的热管理来维持温度稳定,确保准确性和防止激光波长漂移等问题。