解决热量挑战——电源管理之散热
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当电气工程师使用“电源管理”这个词语时，大多数人会想到通过转换器、调节器以及其他具有功率处理和功率转换功能的器件构成的各种直流电源。但是，电源管理还远不止这些功能。由于效率低下所有电源都会发热并且所有元件都必须散热。 因此，电源管理也涉及到热量管理，尤其是功耗相关功能的耗散会如何影响热设计和热量累积。此外，即使元件和系统都在规格范围内持续工作，但随着元件参数漂移，温度增加将会引起性能的变化。如果不是彻头彻尾的失败，这可能导致最终的系统故障。热量也会缩短组件寿命，进而缩短平均故障时间，这也是保证长期可靠性需要考虑的因素。 有两个热管理的观点，设计人员必须审查： “微观”视图，其中单个组件由于过度自耗散而处于过热的危险中，但系统的其余部分(及其外壳)在可接受范围内。 宏观情况，由于多个源的热量累积而导致整个系统温度过高。 一个设计难点是要确定多少热量管理问题是由于微观与宏观相对造成的以及这两者相关的程度。很显然，一个高温的部件 - 甚至温度超过了其允许的极限-将会导致系统升温，但这并不一定意味着整个系统都很热。但是，这意味着组件多余的热量必须被管理和减少。 在讨论热管理和使用诸如“散热”或“排热”等短语时总要牢记在心的一个问题是：热量要散发到哪里? 愤世嫉俗的人可能会说，设计师的挑战是找到某个地方散发热量，从而使他或她的问题变成别人的问题。 虽然这个观点确实有点愤世嫉俗，但确实是有道理的。挑战是将热量传递到较冷的地方，以免对系统产生不利的影响。 这可能是系统和机箱的相邻部分，或者可能完全在机箱外部(只有外部比内部温度低时才有可能)。 还要记住热力学定律之一：除非使用某种主动泵送机械，否则热量只能从温度高的位置传递到温度低的位置。 热管理解决方案 热量管理由物理学基本原理来掌控。在冷却模式下，热传导有三种方式：辐射，传导和对流(图1)： 图1：热传递有三种机制，而在特定情况下各种机制的程度不同 最简单的说法是： 辐射是指电磁辐射(主要是红外线)带走的热量，并且可以发生在真空中。 在大多数应用中，这不是主要的冷却因素; 在太空真空中就是一个例外，在太空中，辐射是从宇宙飞船吸走热量的唯一途径。 传导是通过固体或液体的热量流动，而传热材料没有实际移动(尽管液体确实流动)。 对流是如空气或水这样的流体介质携带的热量流动。 对于大多数电子系统来说，实现冷却所需的是将热量传导离开直接的热源，然后将热量传递到其他地方。 设计上的挑战是将各种热管理硬件-即原始的非电子意义上的硬件结合起来，以有效地实现所需的传导和对流。 有三个最常用的元件：散热器，热管和风扇。 散热器和热管是被动的，自供电的冷却系统，其还包括自然引发的传导和对流方法。相比之下，风扇是一种主动的，强制冷却系统。 从散热器开始 散热器是铝或铜结构，可通过传导作用从源获取热量，并将其暴露于气流中(在某些情况下，暴露于水或其他液态流体中)以便实现对流。 它们有数千种尺寸和形状，从连接单个晶体管(图2)的小型冲压金属翅片到连接具有许多可以拦截对流空气流并将热量传输到该气流(图3)的翅片的大型挤压件。 图2：Aavid Thermalloy 574502B00000G散热片旨在滑动到TO-220封装晶体管上，具有21.2C / W的热阻; 尺寸大约10×22×19毫米。 图3：来自Cincom的较大的挤压式多翅片散热片(M-C308，M-C091，M-C092)专为大型IC和模块而设计。最小的是60×60×20mm高，最大的是60×110×25mm高 散热器的优点之一是没有移动部件，没有运行成本，也没有故障模式。一旦适当尺寸的散热器连接到电源上时，随着暖空气的升起，对流就会自然而然地发生，从而开始并持续形成气流。因此，当使用散热器来给源的入口到出口之间提供畅通的空气流动时，这是至关重要的。 而且，入口必须在散热器的下方并且出口在上方; 否则，热空气会停滞在热源之上，并使情况进一步恶化。 尽管散热片易于使用，但它的确有一些负面影响。 首先，传输大热量的散热片体积大，成本高，重量大。 而且，它们必须正确放置，从而可以影响或限制物理电路板的布局。 它们的翅片也可能被气流中的灰尘堵塞，从而大大降低了效率。 它们必须被正确地连接到热源上，以使热量能够畅通从源流向散热器。 首先由于在尺寸，配置以及其他因素上有如此多的散热片可供选择，这使得选择是压倒性的。 请注意，有许多通用散热器以及针对特定集成电路的散热器，例如特定处理器或现场可编程门阵列(FPGA))。 也存在不是分立元件的散热器实例。 有些集成电流使用引脚或导线将热量从其裸片和主体传导到它们的PC板上，然后用作散热片。其他的集成电路实际上在其封装下有一个铜塞; 当它被焊接到印刷电路板上时，金属块用作去除裸片热量流动的路径。 这是一种低成本而又有效的散热方式，但是这得假定其余的PC板较冷并且附近没有其他的组件也在使用该冷却板。 实际上，每台设备都试图将多余的废热排放到邻近区域，这是一场零和游戏。 |
