熱管理技術(shù)系列：電源散熱管理

       電氣工程師提到“電源管理”這個(gè)詞時(shí)，大多數(shù)人會(huì)想到MOS管、轉(zhuǎn)換器、變壓器等。

其實(shí)，電源管理遠(yuǎn)不止這些。

       電源工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，持續(xù)的溫升會(huì)引起性能的變化，最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障；另外，熱量也會(huì)縮短組件壽命，影響長(zhǎng)期可靠性。

因此，電源管理也涉及熱管理。關(guān)于熱管理，有兩個(gè)觀點(diǎn)有必要了解一下：

“微觀”｜問題

      單個(gè)組件由于發(fā)熱過多而過熱，但系統(tǒng)的其余部分及外殼溫度在限制范圍內(nèi)。

“宏觀”｜問題

       多個(gè)熱源的熱量累積導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)溫度過高。

工程師需要確定熱管理問題有多少屬于微觀，多少屬于宏觀，以及兩者間的關(guān)聯(lián)程度。

       簡(jiǎn)單理解就是，一個(gè)發(fā)熱組件，即便溫升超過了其允許的極限導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)升溫，不一定意味著整個(gè)系統(tǒng)過熱，但該組件產(chǎn)生的多余熱量必須散出去。

那么熱量要散去哪？

       散到較冷的地方，可以是系統(tǒng)和機(jī)箱的相鄰部分，也可以是機(jī)箱外部（僅當(dāng)外部比內(nèi)部溫度低時(shí)才有可能）。

熱管理解決方案

       熱管理遵循物理學(xué)基本原理，熱傳導(dǎo)有三種方式：輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流。

對(duì)于大多數(shù)電子系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)所需的冷卻是先以傳導(dǎo)的方式讓熱量離開發(fā)熱源，然后再以對(duì)流的方式將其傳遞到其他地方。

       進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)需要將各種熱管理硬件結(jié)合起來，以有效地實(shí)現(xiàn)所需的傳導(dǎo)和對(duì)流。

       最常用的散熱元件有三個(gè)：散熱器、熱管和風(fēng)扇。

       散熱器和熱管是無需電源的無源冷卻系統(tǒng)，而風(fēng)扇是一種有源的強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)。

散熱器

       散熱器是鋁或銅結(jié)構(gòu)，可通過傳導(dǎo)作用從熱源獲取熱量，并將熱量傳到氣流（在某些情況下，傳到水或其他液體）中以實(shí)現(xiàn)對(duì)流。

各種類型的散熱器

      散熱器有數(shù)千種尺寸規(guī)格和形狀，從連接單個(gè)晶體管的小型沖壓金屬翅片到具有許多可以攔截對(duì)流空氣流并將熱量傳輸?shù)皆摎饬鞯某崞ㄖ感危┑拇笮蛿D壓件。

散熱器具有沒有移動(dòng)部件、運(yùn)行成本、故障模式等優(yōu)勢(shì)。

       一旦散熱器連接到熱源，隨著暖空氣上升，對(duì)流就會(huì)自然而然地發(fā)生，從而開始并持續(xù)形成氣流。

       盡管散熱器易于使用，但也存在一些弊端：

       1、傳輸大熱量的散熱器體積大、成本高、重量大，且必須正確放置，會(huì)影響或限制電路板的物理布局；

       2、翅片可能被氣流中的灰塵堵塞，降低效率；

       3、必須正確連接到熱源上，才能使熱量暢通地從熱源流向散熱器。

熱管

       它是熱管理套件的另一個(gè)重要器件，不需要任何形式的主動(dòng)強(qiáng)制機(jī)制就可以將熱量從 A 點(diǎn)傳送到 B 點(diǎn)。

       其包含燒結(jié)芯和工作流體的密封金屬管，本身不作為散熱器，作用是從熱源吸收熱量并將其傳送到較冷的區(qū)域。

       當(dāng)熱源附近沒有足夠的空間放置散熱器或氣流不足時(shí)便可以使用熱管。

       熱管工作效率高，可以將熱量從源頭傳送到更便于管理的地方。

工作原理：

       熱源在密封管內(nèi)將工作流體轉(zhuǎn)變成蒸汽，而蒸汽帶著熱量傳遞到熱管的較冷端。在這一端，蒸氣冷凝成液體并釋放出熱量，而流體再返回到較熱端。

       這種氣-液形態(tài)轉(zhuǎn)變過程是連續(xù)運(yùn)行的，且僅由冷端和熱端的溫度差驅(qū)動(dòng)。

       在冷端連接散熱器或其他冷卻裝置可以解決氣流受阻的局部熱點(diǎn)的散熱問題。

風(fēng)扇

      它是拋開無源散熱器和熱管，走向強(qiáng)制風(fēng)冷的有源散熱裝置的第一步，但風(fēng)扇也有讓人頭痛的地方：

      1、增加成本，需要空間，增加了系統(tǒng)噪音；

      2、容易發(fā)生故障，消耗能量并影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。

      但在很多情況下，尤其是當(dāng)氣流路徑彎曲、垂直或不暢通時(shí)，它們通常是獲得足夠氣流的唯一途徑。

      定義風(fēng)扇能力的關(guān)鍵參數(shù)是每分鐘空氣的單位長(zhǎng)度或單位體積流量。

      不過物理尺寸是一個(gè)問題：低轉(zhuǎn)速大風(fēng)扇可以產(chǎn)生與高轉(zhuǎn)速小風(fēng)扇相同的氣流，因此存在尺寸與速度的取舍平衡。

建模及綜合仿真

       單獨(dú)的無源系統(tǒng)尺寸較大，但更可靠高效，而風(fēng)扇可以在不能單獨(dú)使用無源冷卻的情況下發(fā)揮作用。

        到底選哪種系統(tǒng)進(jìn)行散熱，往往是一個(gè)困難的決定。

        這時(shí)候需要通過建模和仿真來確定需要多少冷氣以及如何實(shí)現(xiàn)冷卻，它對(duì)高效熱管理策略至關(guān)重要。

       對(duì)于微型模型來說，熱源及其熱量流通路徑的特征在于它們的熱阻，而熱阻由其使用的材料、質(zhì)量和尺寸決定。

       建模顯示熱量如何從熱源流出，也是評(píng)估因自身散熱而導(dǎo)致熱事故組件的第一步。

       例如高散熱 IC、MOSFET 和IGBT等器件供應(yīng)商通常會(huì)提供熱模型，這些模型能夠提供從熱源到器件表面的熱路徑細(xì)節(jié)。

       一旦各組件的熱負(fù)載已知，下一步就是宏觀層面建模，這既簡(jiǎn)單又復(fù)雜：

       通過各種熱源的氣流調(diào)整大小以將其溫度保持在允許的限值以下；使用空氣溫度、非強(qiáng)制氣流可用流量、風(fēng)扇氣流量和其他因素進(jìn)行基本計(jì)算大致了解溫度狀況。

       接下來就是使用各熱源的模型及位置、PC 板、外殼表面和其他因素，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品及其封裝進(jìn)行更復(fù)雜的建模。

      最后，建模還要解決兩個(gè)問題：

      1、峰值與平均耗散的問題。例如熱耗散持續(xù)為 1W 的穩(wěn)態(tài)組件與熱耗散 10W 但具有10％間歇占空比的器件具有不同的熱影響。

      也就是說平均熱耗散相同，相關(guān)的熱質(zhì)量和熱流量會(huì)產(chǎn)生不同的熱分布。大多數(shù) CFD 應(yīng)用程序可以將靜態(tài)與動(dòng)態(tài)結(jié)合起來進(jìn)行分析。

       2、組件及微型模型表面間物理連接的不完善性，例如 IC 封裝頂部與散熱器之間的物理連接。

       如果連接有微小的間距，這條路徑的熱阻就會(huì)增加，需要在接觸之面填充導(dǎo)熱墊片增強(qiáng)路徑的導(dǎo)熱性。

      熱管理可降低電源中元件及內(nèi)部環(huán)境的溫度，可延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，提高可靠性。

      但熱管理是一個(gè)整合的概念，如果分解到細(xì)枝末節(jié)，是一個(gè)龐大的課題。

      它涉及尺寸、功率、效率、重量、可靠性以及成本等方面的權(quán)衡，必須對(duì)項(xiàng)目的優(yōu)先級(jí)和約束條件進(jìn)行評(píng)估。

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