時(shí)間過(guò)得真快，在大家的陪同下不知不覺(jué)就來(lái)到了夏季的尾聲。雖說(shuō)還有秋老虎在前示威，小編卻已經(jīng)磨拳霍霍向秋游啦~

既然炎熱的暑氣都被秋風(fēng)趕跑，小編也覺(jué)得是時(shí)候向大家介紹下可以改善散熱問(wèn)題的冷卻技術(shù)及其工作原理了。這是熱管理基礎(chǔ)知識(shí)的最后一篇，希望大家都能在金秋時(shí)節(jié)實(shí)現(xiàn)大大大豐收！

小知識(shí)大復(fù)習(xí)

??在熱管理基礎(chǔ)知識(shí)的第一篇中，我們討論了電域和熱域之間的二元性。

第二篇中，我們研究了三種不同的熱傳輸機(jī)制，并將它們與等效熱阻相關(guān)聯(lián)。

第三篇中，我們使用熱電阻的概念建立了系統(tǒng)的熱等效網(wǎng)絡(luò)，并確定了其等效連結(jié)環(huán)境（JA）熱阻。通過(guò)這種方法，我們能夠?qū)嶙枧c系統(tǒng)的物理特性聯(lián)系起來(lái)，并通過(guò)等效的熱電阻方程直觀地了解主要的熱傳輸機(jī)制。

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現(xiàn)在，讓我們來(lái)進(jìn)入大家關(guān)心的究極問(wèn)題：散熱。

散熱片

散熱片是被動(dòng)熱傳輸器件。在將熱量從IC封裝傳遞到周?chē)h(huán)境時(shí)，其熱阻遠(yuǎn)小于由熱對(duì)流和熱輻射引起的從封裝到環(huán)境的并聯(lián)熱阻。為了使散熱片起作用，其等效熱阻必須滿(mǎn)足如下方程：

其中是散熱片的有效熱阻，是熱對(duì)流引起的封裝頂部的熱阻，是熱輻射引起的封裝頂部的熱阻。

圖1. N-fin 散熱片的熱阻模型，其中TIM連接到封裝頂部。

圖1顯示了N-fin 散熱片的熱阻模型（N是Fin的數(shù)量），其中熱界面材料（TIM）連接到封裝的頂部。我們需要TIM來(lái)改善封裝和散熱片之間的接觸，因此散熱片的有效熱阻需要包括TIM的熱阻。從熱管理基礎(chǔ)第三篇的內(nèi)容中，我們可以得知：

這表明有效電阻等于TIM的電阻加上散熱片底部的電阻和N-fin的并聯(lián)電阻。 如果我們假設(shè)每個(gè)散熱片電阻相等，那么方程可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

散熱片的等效電阻約等于TIM的電阻加上散熱器底部的電阻，以及散熱片的電阻除以數(shù)量N。由于散熱片的面積可以大于封裝的頂部表面區(qū)域，其熱對(duì)流和熱輻射電阻可以小于封裝頂部表面的熱對(duì)流和熱輻射電阻。此外，若該電阻除以散熱片F(xiàn)in的數(shù)量，則可以達(dá)到N倍的改善。然而，對(duì)于給定的散熱片基板區(qū)域，當(dāng)增加的Fin高于一定數(shù)量時(shí)，最終卻會(huì)導(dǎo)致每個(gè)Fin的熱阻增加：這是由于散熱片開(kāi)始接近彼此而降低了有效傳熱系數(shù)的緣故。而正因?yàn)檫@些熱阻直接增加了散熱片的有效熱阻，要想提高散熱片的整體性能，為散熱片和TIM選擇高導(dǎo)熱材料便十分重要。

散熱器

冷卻電子系統(tǒng)的另一種技術(shù)是使用熱過(guò)孔和散熱器將更多的熱量從IC傳播到PCB的背面。放置在IC下方的散熱孔可以顯著降低PCB的導(dǎo)熱電阻，并有助于將熱量引導(dǎo)到放置在PCB底部的散熱板上。散熱器由高導(dǎo)熱材料（如石墨）制成，并具有較大的表面積以改善散熱問(wèn)題。

風(fēng)扇

當(dāng)使用被動(dòng)散熱片或散熱器不足以消除熱量時(shí)，消費(fèi)電子系統(tǒng)如臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、投影儀等還可以采用電子風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行散熱。風(fēng)扇使用電動(dòng)機(jī)并且需要電力來(lái)主動(dòng)地在系統(tǒng)周?chē)苿?dòng)氣流以消除熱量。這可能會(huì)導(dǎo)致音頻噪聲，因此在選擇風(fēng)扇時(shí)需要考慮噪聲和可靠性問(wèn)題。當(dāng)下的許多風(fēng)扇都可以使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)控制速度，因此您可以設(shè)計(jì)一個(gè)熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)溫度動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)扇速度。

散熱管

散熱管是一種傳熱裝置，它利用導(dǎo)熱和相變的原理在固體元件之間傳遞熱量。散熱管的相變通常是指液體在蒸發(fā)端達(dá)到沸點(diǎn)汽化而作為氣體傳播到管道中，再在其到達(dá)冷端時(shí)冷凝釋放出熱量之后，液體又通過(guò)毛細(xì)作用流回到蒸發(fā)端的過(guò)程。在將熱量從蒸發(fā)端傳遞到冷凝端的運(yùn)動(dòng)中，這個(gè)過(guò)程會(huì)不斷循環(huán)重復(fù)。散熱管也廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子系統(tǒng)，如計(jì)算機(jī)、平板電腦和智能手機(jī)領(lǐng)域。

動(dòng)態(tài)節(jié)流

最后，作為電氣工程師，我們確實(shí)可以使用各種功率節(jié)流技術(shù)來(lái)控制系統(tǒng)的功耗，但這樣通常會(huì)降低系統(tǒng)性能。我們的目標(biāo)是在盡可能權(quán)衡性能的情況下，使客戶(hù)獲得最佳的用戶(hù)體驗(yàn)。現(xiàn)在許多電子系統(tǒng)在整個(gè)PCB中采用熱傳感器，從而使板載處理器可以監(jiān)控系統(tǒng)中的溫度，并在溫度升高時(shí)做出動(dòng)態(tài)節(jié)流決策。作為電氣工程師，我們自然非常了解系統(tǒng)的各種功率曲線(xiàn)，我們可以通過(guò)打開(kāi)風(fēng)扇、減少功能、禁用系統(tǒng)的不同部分、或在系統(tǒng)溫度達(dá)到不同溫度閾值時(shí)限制時(shí)鐘速度以達(dá)到我們的期望。

感謝您閱讀我們的“針對(duì)電氣工程師的熱管理基礎(chǔ)“系列文章，并與我們交流熱管理方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。我們相信在不久的將來(lái)會(huì)出現(xiàn)更高功率的電子設(shè)備，因而電子工程師將在產(chǎn)品的熱管理設(shè)計(jì)中發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。

Cadence?的Sigrity? PowerDC?仿真工具，擁有可靠的電/熱協(xié)同仿真技術(shù)，多年來(lái)一直廣泛用于封裝和PCB板的設(shè)計(jì)、分析和簽收領(lǐng)域。PowerDC使電子工程師能夠通過(guò)快速準(zhǔn)確的IC封裝和PCB熱分析來(lái)擴(kuò)展電源完整性的分析范圍。

它包括了集成的電/熱協(xié)同仿真環(huán)境，涵蓋了在較高溫度下電阻增加效應(yīng)的影響，從而幫助您確認(rèn)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足規(guī)定的直流電壓和溫度裕量。