高速電路設計中的散熱考慮

在普通的數字電路設計中，我們很少考慮到集成電路的散熱，因為低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散熱條件下，芯片的溫升不會太大。隨著芯片速率的不斷提高，單個芯片的功耗也逐漸變大，例如：Ｉｎｔｅｌ的奔騰ＣＰＵ的功耗可達到 25W。當自然條件的散熱已經不能使芯片的溫升控制在要求的指標之下時，就需要使用適當的散熱措施來加快芯片表面熱的釋放，使芯片工作在正常溫度范圍之內。 通常條件下，熱量的傳遞包括三種方式：傳導、對流和輻射。

傳導是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞，對流是借助流體的流動傳遞熱量，而輻射無需借助任何媒介，是發熱體直接向周圍空間釋放熱量。

 在實際應用中，散熱的措施有散熱器和風扇兩種方式或者二者的同時使用。散熱器通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導到散熱器，散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導體，它的充分擴展的表面使熱的輻射大大增加，同時流通的空氣也能帶走更大的熱能。風扇的使用也分為兩種形式，一種是直接安裝在散熱器表面，另一種是安裝在機箱和機架上，提高整個空間的空氣流速。

與電路計算中最基本的歐姆定律類似，散熱的計算有一個最基本的公式：
  溫差 = 熱阻 × 功耗

 在使用散熱器的情況下，散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的"阻力"稱為熱阻，散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來代表，這樣熱流由散熱器流向空氣時由于熱阻的存在，在散熱器和空氣之間就產生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產生電壓降一樣。同樣，散熱器與芯片表面之間也會存在一定的熱阻。熱阻的單位為℃/W。選擇散熱器時，除了機械尺寸的考慮之外，最重要的參數就是散熱器的熱阻。
熱阻越小，散熱器的散熱能力越強。

下面舉一個電路設計中熱阻的計算的例子來說明：設計要求： 芯片功耗： 20瓦 芯片表面不能超過的最高溫度： 85℃ 環境溫度（最高）： 55℃ 計算所需散熱器的熱阻。 實際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取01℃/W作為近似。則 （R + 0.1）× 20W = 85℃ - 55℃ 得到 R = 1.4 ℃/W 只有當選擇的散熱器的熱阻小于1.4℃/W時才能保證芯片表面溫度不會超過85℃。

使用風扇能帶走散熱器表面大量的熱量，降低散熱器與空氣的溫差，使散熱器與空氣之間的熱阻減小。因此散熱器的熱阻參數通常用一張表來表示。

如下例： 風速（英尺/秒） 熱阻（℃/W） 0 3.5 100 2.8 200 2.3
300 2.0
400 1.8

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