方便快捷是人類的本質(zhì)需求。但是對于你想盡快得到的，卻不總是那么容易實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)人類即時(shí)滿足的愿望，涌現(xiàn)出一批在線商店和咖啡、快餐連鎖店之類的便利店，這極大改變了我們的學(xué)習(xí)、工作和娛樂方式。我們無需只到圖書館進(jìn)行閱讀，也無需只依靠閱讀報(bào)紙和觀看晚間新聞來獲知世界大事。瀏覽新聞，完成緊急的工作報(bào)告，過"憤怒的小鳥"的下一關(guān)，獲取下一班火車的時(shí)間等所有這些事情都可通過一件小巧的設(shè)備——平板電腦來實(shí)現(xiàn)。    消費(fèi)者通常選擇購買平板電腦來代替手提電腦，這導(dǎo)致了平板電腦市場的擴(kuò)大。制造商基于價(jià)格、外形和尺寸方面的考慮，設(shè)計(jì)出的平板電腦更為輕薄、時(shí)尚和小巧。   下一代手持設(shè)備在滿足嚴(yán)格的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，需解決兩方面的熱設(shè)計(jì)問題，一是產(chǎn)品的表面觸摸溫度能使消費(fèi)者感覺舒服，二是確定產(chǎn)品內(nèi)部關(guān)鍵元器件的最高溫度范圍。這篇文章討論的就是平板電腦在設(shè)計(jì)中如何滿足這些方面的要求。    平板電腦的熱模型是用FloTHERM XT創(chuàng)建的，以了解平板電腦在各種操作條件下的最大允許功耗。其熱模型也用來進(jìn)行參數(shù)研究，以尋求內(nèi)部元器件在平板電腦內(nèi)的最佳散熱路徑。 最大功耗    以往在手提電腦和臺(tái)式電腦上運(yùn)行的應(yīng)用程序，現(xiàn)在也能夠在手持設(shè)備上運(yùn)行了。手持設(shè)備外形較小，且需要采用被動(dòng)式散熱，在此條件下提供良好的性能將面臨更大的挑戰(zhàn)。針對手持設(shè)備的散熱挑戰(zhàn)，一些專家如Brown et al, Lee et al, Mongia et al, Huh et al和 Gurrum et al已進(jìn)行了專門的研究。    圖1顯示了此項(xiàng)研究中計(jì)算出的，自然對流和輻射形成的最大可能的功耗。研究還計(jì)算了海平面條件下，環(huán)境溫度為25°C，且表面溫度不超過41°C的觸摸溫度時(shí)，所能散發(fā)的最大總功耗。其中，由Berhe計(jì)算出的鋁封裝的最大觸摸溫度為41°C。    當(dāng)把平板電腦垂直放置在半空中時(shí)，其各表面產(chǎn)生熱傳導(dǎo)和熱輻射，此時(shí)的理論最大散熱總功耗是13.9瓦（如圖2所示）。當(dāng)把其水平放置時(shí)，最大散熱功耗下降至13.1瓦。當(dāng)把其放置在水平隔熱的表面上時(shí)，熱傳遞只發(fā)生在其兩側(cè)面和前表面，此時(shí)的最大散熱功耗下降到7.9瓦，如圖3所示。這種狀況發(fā)生在平板電腦背部的熱傳遞被阻礙，如當(dāng)用戶把平板電腦放置在毛毯或枕頭上時(shí)。這些數(shù)值針界定了平板電腦在靜止的空氣中所能散發(fā)的最大熱量。

為了計(jì)算總功耗，須作出以下假設(shè)：長240mm寬180mm的典型平板電腦，處在表面溫度均勻的理想狀態(tài)下。在表面發(fā)射率為0.8的保守假設(shè)下，當(dāng)環(huán)境溫度為25°C時(shí)，輻射熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱功耗占據(jù)總功耗的一半以上。     為達(dá)到41°C的觸摸溫度，參數(shù)需認(rèn)真設(shè)計(jì)。應(yīng)將平板電腦設(shè)計(jì)成盡可能等溫的，以使其到周圍環(huán)境的散熱最大化。如此，平板電腦在不超過最大允許的觸摸溫度的情況下，表面溫度盡可能高于周圍環(huán)境溫度以進(jìn)行最大程度的換熱。當(dāng)把平板電腦放置在毯子上，其背部散熱被抑制，散熱總功耗會(huì)急劇下降。 圖1 數(shù)值模型的值      為分析不同熱管理技術(shù)的影響，運(yùn)用FloTHERM建立了詳細(xì)的CFD熱模型。針對平板電腦內(nèi)主要處理器的實(shí)際熱特性數(shù)據(jù)，可使用T3Ster精確測量，以確定處理器IC及PCB的熱阻，獲取處理器頂部及底部的熱流量。使用T3Ster產(chǎn)生的處理器的熱模型可直接放到FloTHERM中的平板電腦模型內(nèi)。平板電腦內(nèi)部的詳細(xì)熱模型結(jié)果顯 示在如圖4中。通過FloTHERM XT對元器件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，得知其表面的對流熱傳導(dǎo)和輻射熱傳導(dǎo)信息。 熱點(diǎn)溫度下降     設(shè)計(jì)的目的是使觸摸溫度保持在41°C或以下，因此確定散熱器的高傳導(dǎo)率的影響尤為重要。針對平板電腦的背部外殼所采用的不同熱傳導(dǎo)率的材料， 已進(jìn)行了一些參數(shù)研究。結(jié)果顯示在圖5中，圖6是對其進(jìn)行的圖表總結(jié)。此項(xiàng)研究假定每次仿真的功耗相同，唯一變化的是外殼的熱傳導(dǎo)率參數(shù)。作為參考，大多數(shù)塑料的熱傳導(dǎo)率是在0.2w/mk的范圍內(nèi)，而鋁的熱傳導(dǎo)率達(dá)到了200w/mk，這表明鋁的熱傳導(dǎo)率是塑料的1000倍。               圖2 圖3

處理器熱模型的推導(dǎo)     當(dāng)建立平板電腦的熱模型時(shí)，處理器的熱特性數(shù)據(jù)并不十分準(zhǔn)確。另外，熱界面材料供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)表并不能準(zhǔn)確反應(yīng)界面材料的熱阻以及處理器芯片和散熱器間材料間接觸。     為克服這一點(diǎn)并得到準(zhǔn)確的處理器熱模型，可使用T3Ster測出從處理器IC芯片到其蓋子或散熱器及PCB的熱阻。利用T3Ster可對半導(dǎo)體封裝設(shè)備的熱阻路徑作出動(dòng)態(tài)熱分析。     晶片的瞬態(tài)溫度響應(yīng)和其功率輸入階躍響應(yīng)的函數(shù)關(guān)系被記錄下來。由瞬態(tài)溫度響應(yīng)得出的結(jié)構(gòu)函數(shù)，可反映出散熱路徑上材料的熱阻信息。如圖7所示，即為由T3Ster得出的處理器的結(jié)構(gòu)函數(shù)，圖中的結(jié)殼熱阻是0.23K/W.     將處理器封裝的熱模型放到CFD仿真模型 圖4

要使熱點(diǎn)溫度下降，可在平板電腦外殼內(nèi)安置高傳導(dǎo)率的散熱器，或?qū)ζ渫鈿な褂酶邆鲗?dǎo)率的材料。值得注意的是，平板電腦外殼的熱傳導(dǎo)率影響其表面觸摸溫度，當(dāng)熱傳導(dǎo)率下降時(shí)，表面觸摸溫度會(huì)上升。     例如，如果平板電腦的外殼是用傳導(dǎo)率為0.2w/mk的塑料制成的，由于塑料的低傳導(dǎo)率會(huì)導(dǎo)致外殼與皮膚間較少熱量的傳遞，那么用戶感知的外殼溫度會(huì)比用鋁制成的外殼溫度要低，感覺會(huì)更涼爽些。雖然塑料制成的外殼比較厚，但由于外殼面積較大，因此相比鋁制外殼，其傳熱并不會(huì)顯著下降。這個(gè)結(jié)論的前提是塑料外殼內(nèi)使用的是高傳導(dǎo)率的鋁板或石墨板。 圖5

中，并且當(dāng)散熱路徑的其他條件如散熱器的材質(zhì)和尺寸、散熱器和外殼背部間的氣隙厚度、外殼材質(zhì)等改變時(shí)，運(yùn)用數(shù)值實(shí)驗(yàn)得出處理器的結(jié)點(diǎn)溫度變化。 總結(jié)    平板電腦的尺寸影響其內(nèi)部元器件的功耗，元器件的功耗也將影響平板電腦內(nèi)部的熱點(diǎn)溫度下降的程度。很少有工程師能夠意識(shí)到平板電腦外部表面的輻射散熱能力。熱輻射在平板電腦熱設(shè)計(jì)中的重要性，直至能夠精確計(jì)算出后才被意 圖6

識(shí)到。如果其表面發(fā)射率高，那么向周圍環(huán)境的熱傳導(dǎo)將有超過一半來自于輻射。降低產(chǎn)品的熱點(diǎn)溫度，擴(kuò)散其熱量，以增進(jìn)熱傳導(dǎo)；通過對流和熱輻射最大限度地促進(jìn)產(chǎn)品表面的熱傳導(dǎo)。    總之，為平板電腦正確建立熱模型，可以快速測試設(shè)計(jì)效果和材料變化引起的效果，從而避免測試樣機(jī)導(dǎo)致的高成本和進(jìn) 度延誤。熱設(shè)計(jì)工程師可通過構(gòu)建熱模型進(jìn)行多方面檢測，而不僅限于使用樣機(jī)檢測。如此將設(shè)計(jì)出更精致的平板電腦，使其更能滿足用戶需求，也更具競爭優(yōu)勢。高質(zhì)量的熱模型將加快產(chǎn)品投放，降低研發(fā)成本。由于能夠使用仿真軟件進(jìn)行準(zhǔn)確仿真，從而無需制造樣機(jī)進(jìn)行檢測，只需對最終產(chǎn)品樣本進(jìn)行檢測即可。 圖8

圖7 圖9

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