小編認(rèn)為，當(dāng)今的電氣工程師真是太不容易了！

在過去，機(jī)械工程師全權(quán)負(fù)責(zé)產(chǎn)品的熱管理設(shè)計，包括產(chǎn)品的機(jī)械外殼和其它物理方面的設(shè)計；然而現(xiàn)在，熱管理問題卻要電氣工程師來共同承擔(dān)。隨著嵌入式微控制器、固件和傳感器等的出現(xiàn)，電氣工程師在產(chǎn)品的管理中起到的作用越來越大。

而作為電氣工程師，您是否體驗過設(shè)計的產(chǎn)品超過了溫度規(guī)范，卻不知道要如何解決或減輕這個問題。特別是隨著產(chǎn)品設(shè)計的功率密度越來越高，元器件每單位體積消耗的功率也越來越大，導(dǎo)致我們的產(chǎn)品越來越容易發(fā)熱。

尤其隨著天氣愈發(fā)燥熱，簡直讓人著急上火。不要慌，小編給電氣工程師們送來解暑降溫的熱管理入門基礎(chǔ)知識，一共四篇，請大家閑暇之余閱讀。

內(nèi)容預(yù)覽

在本系列的第一篇中，我們將討論什么是熱量和溫度，并將這些概念與歐姆定律聯(lián)系起來。第二篇將介紹三種基本的傳熱模式并討論熱阻問題。最后兩篇里，我們會將熱阻概念應(yīng)用于一個實例，并討論一些電氣工程師可以使用的冷卻電子產(chǎn)品的技術(shù)。

第一講

首先，我們需要搞清楚“什么是熱量、什么是溫度？”它們是同一個概念嗎？

答案是No！熱量和溫度是不同的概念。熱量實際上是一種能量形式，也稱為熱能，它來自原子或分子的運動。與其他類型的能量一樣，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。其他熱能單位包括卡路里等英國熱量單位（BTU），但我們將使用SI單位來表示熱量，在數(shù)學(xué)上用符號Q表示。重要的是要記住熱量是一種能量形式，而熱流(我們稍后將提到)，是熱能相對于時間的流動，也就是我們電氣工程師常說的功耗。

另一方面，溫度是物體中粒子運動的量度，并且與物體中的平均能量成比例。從更實際的角度來看，溫度告訴我們物體的冷熱度；對于給定的材料和質(zhì)量，它告訴我們其具有的熱能量。例如，物體越熱，其溫度越高，因而它的熱能就越大。溫度的SI單位是開爾文[K]，它與攝氏的關(guān)系是-273.15°C=0K。我們將交替使用這兩種溫標(biāo)，并用字母T來表示溫度。

現(xiàn)在讓我們來看看電域和熱域之間的二元性，我們曾在之前的博客“封裝/ PCB系統(tǒng)的熱分析：挑戰(zhàn)及對策”中就此進(jìn)行過簡要地討論。下面的圖表顯示了兩個域之間的基本關(guān)系：

圖：電域（左）和熱域（右）之間的基本關(guān)系

表：電域（左）和熱域（右）之間的基本關(guān)系

Jean-Baptiste Joseph Fourier，就是那位我們從傅里葉級數(shù)和變換中認(rèn)識的傅里葉，觀察到了熱傳導(dǎo)的歐姆定律關(guān)系。如果我們在導(dǎo)體的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熱阻成反比的速率從高溫點流到低溫點。這種通過導(dǎo)體的熱流在我們電氣工程領(lǐng)域里被稱為功耗。熱域和電域之間的聯(lián)系是功耗以及電路的物理材料和幾何特性。

兩個域之間的另一個類似概念則是電容。在熱域中，熱容量、熱質(zhì)量或熱容是衡量材料存儲或釋放熱量的屬性，就像電容存儲或釋放電荷一樣。熱電容可阻止由于物體的溫度變化而導(dǎo)致的快速波動，它是材料的質(zhì)量和比熱的函數(shù)，也可以與物體的體積相關(guān)。同樣，像電容一樣，熱容可被用作濾波器來過濾溫度變化的快速波動。

我們討論了電域和熱域之間的許多相似之處，一些關(guān)鍵差異則更要引起重視：

在電域中，電流被限制在特定電路元件內(nèi)流動；但在熱域中，熱流通過三種熱傳導(dǎo)機(jī)制中的任何一種或全部從熱源發(fā)出三維：傳導(dǎo)，對流和輻射

元件之間的熱耦合比電耦合更加突出且難以分離

熱時間常數(shù)比電時間常數(shù)大得多，從而導(dǎo)致其反應(yīng)速度慢——這意味著PCB可能需要幾秒鐘才能加熱或冷卻

測量工具不同。 對于熱分析，紅外熱像儀和熱電偶取代了示波器和電壓探頭

三種熱傳輸機(jī)制

今天的文章就到這里，下一篇將討論三種不同類型的熱傳輸機(jī)制，以及我們?nèi)绾问褂玫刃嶙鑱斫?a href="http://www.xsypw.cn/analog/" target="_blank">模擬這些機(jī)制。在第三篇中，我們將使用這些熱阻來建立熱網(wǎng)絡(luò)，從而有效地分析系統(tǒng)的傳熱和溫度特性。最后一篇我們將介紹冷卻技術(shù)。