By Team Sigrity, Cadence
小知識大(dà)複習
在熱管理(lǐ)基礎知識的(de) 第一篇 中，我們討論了(le)電域和(hé)熱域之間的(de)二元性。
第二篇 中，我們研究了(le)三種不同的(de)熱傳輸機制，並將它們與等效熱阻相關聯。
第三篇 中，我們使用(yòng)熱電阻的(de)概念建立了(le)系統的(de)熱等效網路，並確定了(le)其等效連結環境（JA）熱阻。透過這種方法，我們能夠將熱阻與系統的(de)物(wù)理(lǐ)特性聯繫起來，並透過等效的(de)熱電阻方程式直觀地瞭解主要的(de)熱傳輸機制。
現在，讓我們來進入大(dà)家關心的(de)終極問題：散熱。
散熱片
散熱片是被動熱傳輸器件。在將熱量從 IC 封裝傳遞到周圍環境時，其熱阻遠小於由熱對流和(hé)熱輻射引起的(de)從封裝到環境的(de)並聯熱阻。為了(le)使散熱片起作用(yòng)，其等效熱阻必須滿足如下(xià)方程式：
其中
是散熱片的(de)有效熱阻，
是熱對流引起的(de)封裝頂部的(de)熱阻，
是熱輻射引起的(de)封裝頂部的(de)熱阻。
圖 1. N-fin 散熱片的(de)熱阻模型，其中 TIM 連接到封裝頂部
圖 1 顯示了(le) N-fin 散熱片的(de)熱阻模型 (N 是 Fin 的(de)數量) ，其中熱介面材料 (TIM) 連接到封裝的(de)頂部。我們需要 TIM 來改善封裝和(hé)散熱片之間的(de)接觸，因此散熱片的(de)有效熱阻需要包括 TIM 的(de)熱阻。從 熱管理(lǐ)基礎第三篇 的(de)內容中，我們可(kě)以得(de)知：
這表明(míng)有效電阻等於 TIM 的(de)電阻加上散熱片底部的(de)電阻和(hé) N-fin 的(de)並聯電阻。 如果我們假設每個散熱片電阻相等，那麼方程式可(kě)以進一步簡化(huà)為：
散熱片的(de)等效電阻約等於 TIM 的(de)電阻加上散熱器底部的(de)電阻，以及散熱片的(de)電阻除以數量 N。由於散熱片的(de)面積可(kě)以大(dà)於封裝的(de)頂部表面區域，其熱對流和(hé)熱輻射電阻可(kě)以小於封裝頂部表面的(de)熱對流和(hé)熱輻射電阻。此外，若該電阻除以散熱片 Fin 的(de)數量，則可(kě)以達到 N 倍的(de)改善。然而，對於給定的(de)散熱片基闆區域，當增加的(de) Fin 高(gāo)於一定數量時，最終卻會導緻每個 Fin 的(de)熱阻增加：這是由於散熱片開始接近彼此而降低了(le)有效傳熱係數的(de)緣故。而正因為這些熱阻直接增加了(le)散熱片的(de)有效熱阻，要想提高(gāo)散熱片的(de)整體性能，為散熱片和(hé) TIM 選擇高(gāo)導熱材料便十分(fēn)重要。
散熱器
冷(lěng)卻電子系統的(de)另一種技術是使用(yòng)熱過孔和(hé)散熱器將更多(duō)的(de)熱量從 IC 傳播到 PCB 的(de)背面。放置在 IC 下(xià)方的(de)散熱孔可(kě)以顯著降低 PCB 的(de)導熱電阻，並有助於將熱量引導到放置在 PCB 底部的(de)散熱闆上。散熱器由高(gāo)導熱材料（如石墨）製成，並具有較大(dà)的(de)表面積以改善散熱問題。
風扇
當使用(yòng)被動散熱片或散熱器不足以消除熱量時，消費電子系統如桌上型電腦、筆記型電腦、投影(yǐng)機等還可(kě)以採用(yòng)電子風扇來進行散熱。風扇使用(yòng)電動機並且需要電力來主動地在系統周圍移動氣流以消除熱量。這可(kě)能會導緻音(yīn)訊雜訊，因此在選擇風扇時需要考慮雜訊和(hé)可(kě)靠性問題。當下(xià)的(de)許多(duō)風扇都可(kě)以使用(yòng)脈衝寬度調製 (PWM) 信號控制速度，因此您可(kě)以設計一個熱管理(lǐ)系統，實現根據系統溫度動態調整風扇速度。
散熱管
散熱管是一種傳熱裝置，它利用(yòng)導熱和(hé)相變的(de)原理(lǐ)在固體元件之間傳遞熱量。散熱管的(de)相變通(tōng)常是指液體在蒸發端達到沸點汽化(huà)而作為氣體傳播到管道中，再在其到達冷(lěng)端時冷(lěng)凝釋放出熱量之後，液體又通(tōng)過毛細作用(yòng)流回到蒸發端的(de)過程。在將熱量從蒸發端傳遞到冷(lěng)凝端的(de)運動中，這個過程會不斷迴圈重複。散熱管也(yě)廣泛應用(yòng)於消費電子系統，如電腦、平闆電腦和(hé)智慧手機領域。
動態節流
最後，作為電子工程師，我們確實可(kě)以使用(yòng)各種功率節流技術來控制系統的(de)功耗，但這樣通(tōng)常會降低系統性能。我們的(de)目標是在盡可(kě)能權衡性能的(de)情況下(xià)，使客戶獲得(de)最佳的(de)使用(yòng)者體驗。現在許多(duō)電子系統在整個 PCB 中採用(yòng)熱感測器，從而使闆載處理(lǐ)器可(kě)以監控系統中的(de)溫度，並在溫度升高(gāo)時做(zuò)出動態節流決策。作為電子工程師，我們自然非常瞭解系統的(de)各種功率曲線，我們可(kě)以透過打開風扇、減少功能、禁用(yòng)系統的(de)不同部分(fēn)、或在系統溫度達到不同溫度閾值時限制時鐘速度以達到我們的(de)期望。
感謝您閱讀我們的(de)「 針對電子工程師的(de)熱管理(lǐ)基礎 」系列文章(zhāng)，並與我們交流熱管理(lǐ)方面的(de)知識和(hé)經驗。我們相信在不久的(de)將來會出現更高(gāo)功率的(de)電子設備，因而電子工程師將在產品的(de)熱管理(lǐ)設計中發揮更加關鍵的(de)作用(yòng)。 Cadence® 的(de) Sigrity™ PowerDC™ 模擬工具，擁有可(kě)靠的(de)電/熱協同模擬技術，多(duō)年來一直廣泛用(yòng)於封裝和(hé)PCB闆的(de)設計、分(fēn)析和(hé)簽收領域。PowerDC 使電子工程師能夠透過快(kuài)速準確的(de) IC 封裝和(hé) PCB 熱分(fēn)析來擴展電源完整性的(de)分(fēn)析範圍。它包括了(le)集成的(de)電 / 熱協同模擬環境，涵蓋了(le)在較高(gāo)溫度下(xià)電阻增加效應的(de)影(yǐng)響，從而幫助您確認設計是否滿足規定的(de)直流電壓和(hé)溫度裕量。
譯文授權轉載出處
長按識別 QRcode，關注「Cadence 楷登 PCB 及封裝資源中心」
歡迎關注 Graser 社群，即時掌握最新技術應用(yòng)資訊
