By Team Sigrity, Cadence
在 熱管理(lǐ)入門基礎知識：第一篇 裡，與大(dà)家討論了(le)電域和(hé)熱域之間的(de)二元性以幫助大(dà)家解暑降溫。隨著秋季的(de)開始，暑去涼來，溫度的(de)變化(huà)又會對電域和(hé)熱域產生什(shén)麼影(yǐng)響呢(ne)？
現在就跟大(dà)家講講三種不同的(de)熱傳輸機制，以及它們是如何與熱阻相關聯的(de)，也(yě)是對之前的(de)文章(zhāng)內容「 封裝 / PCB 系統的(de)熱分(fēn)析：挑戰及對策 」進行擴展。
根據熱力學第二定律，當介質中或介質之間存在溫差時就會發生熱傳遞現象，且該現象始終從高(gāo)溫處向低溫處傳遞。在沒有外部熱源的(de)情況下(xià)，介質之間的(de)溫差最終將達到熱平衡，因此熱傳遞機制其實就是不斷努力使其介質和(hé)周圍環境達到相同溫度的(de)機制。下(xià)圖展示了(le)本篇中即將討論的(de)三種熱傳輸機制。
圖. 三種熱傳輸機制
熱傳導
當固體或靜態流體介質中存在溫度梯度或溫差時，則發生熱傳導現象。該現象是熱能在介質顆粒之間沿降溫方向的(de)轉移。例如，當我們觸摸一個熱的(de)物(wù)體時，我們感覺到的(de)熱量是通(tōng)過熱傳導從物(wù)體傳遞到我們的(de)手上的(de)。導熱速率由傅立葉熱傳導定律描述，如下(xià)所示：
其中
等式中的(de)負號表示熱量從高(gāo)溫到低溫流動。 導熱率 k 是材料傳熱效率的(de)量度，即良好的(de)導熱體具有高(gāo)導熱率，而絕緣體則具有低導熱率。在熱傳導中，熱流在介質體內透過介質體進行傳遞或透過固體介質之間的(de)直接接觸進行傳遞。
熱傳導的(de)熱阻由下(xià)式給出：
等式中的(de)負號表示熱量從高(gāo)溫到低溫流動。 導熱率 k 是材料傳熱效率的(de)量度，即良好的(de)導熱體具有高(gāo)導熱率，而絕緣體則具有低導熱率。在熱傳導中，熱流在介質體內透過介質體進行傳遞或透過固體介質之間的(de)直接接觸進行傳遞。
其中，傳導熱流量
等於通(tōng)過物(wù)體的(de)功耗
。
熱對流
當固體表面與不同溫度的(de)流體接觸時則產生熱對流。在消費電子產品領域，流體通(tōng)常指空氣，而流動原因則通(tōng)常是自然對流或強制對流。自然對流或自由對流的(de)起因是流體中的(de)溫度差異，這會影(yǐng)響流體的(de)密度和(hé)浮力。流體的(de)密度成分(fēn)（冷(lěng)空氣）較重則會下(xià)降，而較少密度的(de)成分(fēn)（熱空氣）較輕則會上升，從而導緻流體移動。隨著熱物(wù)體周圍的(de)熱空氣上升，較重的(de)冷(lěng)空氣便會取而代之並從物(wù)體上消除熱量，從而實現熱傳遞。另一方面，強制對流則是來自諸如風扇等外力的(de)流體運動。透過對流進行的(de)熱傳遞由牛頓冷(lěng)卻定律描述：
其中
傳熱係數 h 是流體通(tōng)過熱對流傳熱效率的(de)量度，由其速度、密度和(hé)黏度決定。風扇吹氣的(de)速度比自然對流的(de)氣流速度要快(kuài)，因此具有更高(gāo)的(de)傳熱係數。
熱對流的(de)熱阻由下(xià)式給出：
熱輻射
熱輻射是透過電磁波從物(wù)體傳遞熱能的(de)現象。可(kě)以在沒有介質的(de)情況下(xià)發生，例如在太空或真空環境中；並可(kě)由任何溫度高(gāo)於絕對零度的(de)物(wù)體發出。一個典型的(de)例子便是我們從太陽感受到的(de)熱量或溫暖。熱輻射傳遞的(de)熱量取決於物(wù)體的(de)物(wù)理(lǐ)表面特性，例如顏色、方向和(hé)粗糙度。熱輻射由 Stefan-Boltzmann 方程描述如下(xià)：
其中
幾何形狀因數 F 是物(wù)體發出輻射後被周圍區域表面吸收的(de)輻射百分(fēn)比。
如果物(wù)件是封閉的(de)，則幾何形狀因數 F = 1。
熱輻射的(de)熱阻可(kě)透過其傳熱方程式進行線性預估：
其中
下(xià)表總結了(le)三種熱傳輸機制的(de)公式：
上述熱阻方程式提供了(le)一種用(yòng)於分(fēn)析系統熱行為的(de)電路方法。值得(de)注意的(de)是，由於我們可(kě)能無法獲悉感興趣元件的(de)幾何屬性和(hé)材料屬性，我們可(kě)能還需要一些額外的(de)近似值才能獲得(de)實際的(de)熱阻值：比如計算(suàn)熱輻射所需知道的(de)發射率和(hé)幾何形狀因數參數。此外，在電阻網路方法中，非線性尤其是輻射電阻的(de)非線性是被忽略的(de)，但該技術對於以熱傳導和(hé)熱對流為主的(de)大(dà)多(duō)數電子系統而言，仍然具有良好的(de)精準度（注意：熱輻射電阻和(hé)熱對流電阻在具有介質的(de)系統中會同時出現）。另外，網路方法不僅可(kě)以很好地洞察系統的(de)熱特性，更是電子工程師非常熟悉的(de)領域。
今天的(de)文章(zhāng)就到這裡，在下(xià)一篇中我們將使用(yòng)熱電阻的(de)概念來開發系統的(de)熱網路。最後一篇文章(zhāng)裡我們將對冷(lěng)卻技術展開討論，從而幫助電子工程師冷(lěng)卻電子系統。
譯文授權轉載出處
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