By Team Sigrity, Cadence
在本系列的(de)第一篇中，我們將討論什(shén)麼是熱量和(hé)溫度，並將這些概念與歐姆定律連繫起來。第二篇將介紹三種基本的(de)傳熱模式並討論熱阻問題。最後兩篇裡，我們會將熱阻概念應用(yòng)於一個實例，並討論一些電子工程師可(kě)以使用(yòng)的(de)冷(lěng)卻電子產品的(de)技術。
首先，我們需要搞清楚「什(shén)麼是熱量、什(shén)麼是溫度？」它們是同一個概念嗎？
答(dá)案是 No！熱量和(hé)溫度是不同的(de)概念。熱量實際上是一種能量形式，也(yě)稱為熱能，它來自原子或分(fēn)子的(de)運動。與其他(tā)類型的(de)能量一樣，熱量具有 SI 單位，即焦耳 [J]：
其中 kg 是千克，m 是米，s 是秒，N 是牛頓，W 是瓦特，C 是庫侖，V 是伏特。其他(tā)熱能單位包括卡路裏等英國熱量單位（BTU），但我們將使用(yòng) SI 單位來表示熱量，在數學上用(yòng)符號 Q 表示。重要的(de)是要記住熱量是一種能量形式，而熱流(我們稍後將提到)，是熱能相對於時間的(de)流動，也(yě)就是我們電子工程師常說的(de)功耗。
另一方面，溫度是物(wù)體中粒子運動的(de)量度，並且與物(wù)體中的(de)平均能量成比例。從更實際的(de)角度來看，溫度告訴我們物(wù)體的(de)冷(lěng)熱度；對於給定的(de)材料和(hé)品質，它告訴我們其具有的(de)熱能量。例如，物(wù)體越熱，其溫度越高(gāo)，因而它的(de)熱能就越大(dà)。溫度的(de) SI 單位是凱爾文 [K]，它與攝氏的(de)關係是 -273.15°C=0K 。我們將交替使用(yòng)這兩種溫標，並用(yòng)字母 T 來表示溫度。
現在讓我們來看看電域和(hé)熱域之間的(de)二元性，我們曾在之前的(de)部落格文章(zhāng)「 封裝 / PCB 系統的(de)熱分(fēn)析：挑戰及對策 」中就此進行過簡要地討論。下(xià)面的(de)圖表顯示了(le)兩個域之間的(de)基本關係：
圖：電域（左）和(hé)熱域（右）之間的(de)基本關係
表：電域（左）和(hé)熱域（右）之間的(de)基本關係
Jean-Baptiste Joseph Fourier，就是那位我們從傅立葉級數和(hé)變換中認識的(de)傅立葉，觀察到了(le)熱傳導的(de)歐姆定律關係。如果我們在導體的(de)兩個點之間施加溫度差，熱流或能量傳遞則將以與這兩個點之間的(de)熱阻成反比的(de)速率從高(gāo)溫點流到低溫點。這種通(tōng)過導體的(de)熱流在我們電機工程領域裡被稱為功耗。熱域和(hé)電域之間的(de)連繫是功耗以及電路的(de)物(wù)理(lǐ)材料和(hé)幾何特性。
兩個域之間的(de)另一個類似概念則是電容。在熱域中，熱容量、熱品質或熱容是衡量材料存儲或釋放熱量的(de)屬性，就像電容存儲或釋放電荷一樣。熱電容可(kě)阻止由於物(wù)體的(de)溫度變化(huà)而導緻的(de)快(kuài)速波動，它是材料的(de)品質和(hé)比熱的(de)函數，也(yě)可(kě)以與物(wù)體的(de)體積相關。同樣，像電容一樣，熱容可(kě)被用(yòng)作濾波器來過濾溫度變化(huà)的(de)快(kuài)速波動。
我們討論了(le)電域和(hé)熱域之間的(de)許多(duō)相似之處，一些關鍵差異則更要引起重視：
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在電域中，電流被限制在特定電路元件內流動；但在熱域中，熱流透過三種熱傳導機制中的(de)任何一種或全部從熱源發出三維：傳導、對流 和(hé) 輻射 |
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元件之間的(de)熱耦合比電耦合更加突出且難以分(fēn)離 |
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熱時間常數比電時間常數大(dà)得(de)多(duō)，從而導緻其反應速度慢(màn); 這意味著 PCB 可(kě)能需要幾秒鐘才能加熱或冷(lěng)卻 |
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測量工具不同。 對於熱分(fēn)析，紅外熱像儀和(hé)熱電偶取代了(le)示波器和(hé)電壓探頭 |
三種熱傳輸機制
今天的(de)文章(zhāng)就到這裡，下(xià)一篇將討論三種不同類型的(de)熱傳輸機制，以及我們如何使用(yòng)等效熱阻來近似模擬這些機制。在第三篇中，我們將使用(yòng)這些熱阻來建立熱網路，從而有效地分(fēn)析系統的(de)傳熱和(hé)溫度特性。最後一篇我們將介紹冷(lěng)卻技術。
譯文授權轉載出處
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