原创深度 | 电源管理:散热方法大汇总

当电气工程师提到“电源管理”这个词时,大多数人会想到各种具有转换器、稳压器和其他功率处理以及功率转换功能的直流电源。但是,电源管理远不止这些功能。由于效率不够,所有电源都会发热并且所有组件都必须散热。

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因此,电源管理也涉及热管理,尤其是电源相关功能的散热会如何影响散热设计与热量累积。此外,即使组件和系统都在规格范围内持续工作,随着组件参数漂移,温度的增加也会引起性能的变化。就算不是全盘崩溃,也会导致最终的系统故障。热量还会缩短组件寿命,进而缩短平均故障间隔时间,这也是保证长期可靠性需要考虑的因素。

有两个关于热管理的观点,设计人员必须了解:

  • “微观”问题,单个组件由于发热过多而处于过热危险中,但系统的其余部分(及其外壳)温度在可接受范围内。

  • “宏观”问题,由于多个来源的热量累积而导致整个系统温度过高。

一个设计挑战是确定热管理问题有多少属于微观,多少属于宏观,以及微观问题与宏观问题的关联程度。很显然,一个高温组件甚至温度超过了其允许的极限将会导致整个系统升温,但这不一定意味着整个系统都很热。但是,这意味着必须设法管理并减少该组件多余的热量。

在讨论热管理和使用诸如“散热”或“排热”等词时始终要牢记的一个问题是:这些热量要散到哪里去?愤世嫉俗的人可能会说,设计师就是以邻为壑,找到一个地方散热,把自己的问题变成别人的问题。

虽然这个观点的确有点愤世嫉俗,但也有一定的道理。这里的关键就是要把热量发散到较冷的地方,以免对系统产生不利影响。这个地方可以是系统和机箱的相邻部分,也可以完全在机箱外部(仅当外部比内部温度低时才有可能)。另外还要记住热力学的一个定律:除非使用某种主动泵送机械,否则热量只会从高温位置向低温位置传递。

热管理解决方案

热管理遵循物理学基本原理。在制冷模式下,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,特定情况下经常是三种机制一起使用,只是使用程度不同(资料来源:Kmecfiunit/CC
图1:热传递有三种机制,特定情况下经常是三种机制一起使用,只是使用程度不同(资料来源:Kmecfiunit/CC BY-SA 4.0)

最简单的说法是:

  • 辐射是指用电磁辐射(主要是红外线)带走热量,这种热传递可以发生在真空中。在大多数应用中,这都不是主要的冷却途径,但在太空真空中就是。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,不过传热材料并不发生实际移动(当然液体确实会流动)。
  • 对流是通过诸如空气或水这样的流体介质携带热量流动。

对于大多数电子系统来说,实现所需的冷却是先以传导的方式让热量离开直接热源,然后再以对流的方式将其传递到其他地方。设计上的挑战是需要将各种热管理硬件(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。

最常用的散热元件有三种:散热器、热管和风扇。散热器和热管是无需电源的无源冷却系统,其还包括自然引发的传导和对流方法。相比之下,风扇是一种有源的强制风冷系统。

先从散热器开始

散热器是铝或铜结构,可通过传导作用从热源获取热量,并将热量传到气流(在某些情况下,传到水或其他液体)中以实现对流。散热器有数千种尺寸规格和形状,从连接单个晶体管的小型冲压金属翅片(图2)到具有许多可以拦截对流空气流并将热量传输到该气流的翅片(指形)的大型挤压件(图3)。

“图2:用简单金属片制成的Aavid
图2:用简单金属片制成的Aavid Thermalloy 574502B00000G散热片设计为滑动到TO-220封装晶体管上,具有21.2C/W的热阻,尺寸大约10×22×19mm(资料来源:Aavid Thermalloy)

“图3:来自Cincom的这些较大型挤压式多翅片散热器(M-C308、M-C091、M-C092)专为较大型IC和模块而设计,最小的尺寸约为60×60×20mm,最大的尺寸为60×110×25mm(资料来源:Cincom
图3:来自Cincom的这些较大型挤压式多翅片散热器(M-C308、M-C091、M-C092)专为较大型IC和模块而设计,最小的尺寸约为60×60×20mm,最大的尺寸为60×110×25mm(资料来源:Cincom Electronics)

从而开始并持续形成气流。因此,在使用散热器给热源的入口和出口之间提供畅通的气流时,这些优点至关重要。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,从而使情况进一步恶化。

尽管散热器易于使用,但它也的确有一些负面影响。首先,传热量大的散热器体积大、成本高、重量大。而且它们必须正确放置,因此会影响或限制电路板的物理布局。它们的翅片也可能被气流中的灰尘堵塞,从而大大降低效率。它们必须正确连接到热源上,以使热量能够畅通地从热源流向散热器。

由于散热器在尺寸、配置以及其他因素上有非常丰富的选择,刚开始会使我们在选购时眼花缭乱。请注意,有许多通用散热器以及针对特定集成电路(IC),例如特定处理器或现场可编程门阵列(FPGA)型号的散热器。

另外还有不是分立组件的散热器。有些IC使用引脚或引线将热量从其芯片和主体传导到其PC板上,以此来起到散热器的作用。还有一些IC在其封装下有一个铜塞,当它被焊接到PC板上时,这个金属块可用于为芯片降温。这是一种低成本而又有效的散热方式,但是这得假定PC板其余部分温度较低并且附近没有其他组件也使用该板散热。实际上,每个器件都试图将多余的废热排放到邻近区域,这是一场零和游戏。

添加热管

热管理套件的另一个重要器件是热管(图4)。这种无源组件接近于工程师所期望的“几乎无成本”,因为它不需要任何形式的主动强制机制就可以将热量从A点传送到B点。简而言之,热管就是包含芯和工作流体的密封金属管。热管的作用是从热源吸收热量并将其传送到较冷的区域,但它本身不作为散热器。当热源附近没有足够的空间放置散热器或气流不足时便可以使用热管。热管工作效率高,可以将热量从源头传送到更便于管理的地方。

“图4:Wakefield-Vette(型号120231)的微型热管尺寸仅为6mm×1.5mm,可传输最高达25W的热负荷。(资料来源:Wakefield-Vette)”
图4:Wakefield-Vette(型号120231)的微型热管尺寸仅为6mm×1.5mm,可传输最高达25W的热负荷。(资料来源:Wakefield-Vette)

热管是如何工作的?它的原理简单而巧妙:它实现了形态转变,这是热物理学的一个基本原理。热源在密封管内将工作流体转变成蒸汽,而蒸汽带着热量传递到热管的较冷端。在这一端,蒸气冷凝成液体并释放出热量,而流体再返回到较热端。这种气-液形态转变过程是连续运行的,并且仅由冷端和热端的温度差驱动。

热管有多种直径和长度,大部分的直径大约在四分之一英寸到二分之一英寸之间,长度在几英寸到约一英尺之间。与水管一样,直径大的管道能传送更多的热量。在冷端连接散热器或其他冷却装置可以解决气流受阻的局部热点的散热问题。

添加风扇

最后还有风扇(图5),它标志着抛开无需电源的无源散热器和热管,走向强制风冷的有源散热装置的第一步。风扇可以解决散热问题,但也有让人头痛的地方,所以设计师在使用时往往心情复杂。

“图5:Delta
图5:Delta Electronics的ASB0305HP-00CP4微型风扇,30mm直径x6.5mm深,采用单个+5V脉宽调制器(PWM)信号,能够提供约0.144m3/min的气流。它由PWM信号驱动,并包含转速计反馈信号(资料来源:Delta Electronics)

很显然,风扇会增加成本,需要空间,并且增加了系统噪音。作为一种机电器件,风扇还容易发生故障,消耗能量并影响整个系统的效率。但在许多情况下,尤其是当气流路径弯曲、垂直或者不畅通时,它们通常是获得足够气流的唯一途径。许多应用都使用那些仅在需要时才运行的热控制风扇以降低转速,从而降低功耗,并采用可在最佳运行速度下最大限度降低噪音的叶片。

定义风扇能力的关键参数是每分钟空气的单位长度或单位体积流量。物理尺寸也是一个问题;显然,低转速大风扇可以产生与高转速小风扇相同的气流,因此存在尺寸与速度的取舍平衡。有些设计使用内部导风板来引导气流通过热区域和散热器以获得最佳性能。

建模及综合仿真

单独使用无源冷却系统还是使用强制风冷的有源系统往往是一个困难的决定。单独的无源系统尺寸较大,但更高效且可靠,而风扇却可以在不能单独使用无源冷却的情况下发挥作用。

当然,有些情况下单独使用无源系统是不恰当或者不切实际的。其中一个例子是汽车发动机的热管理问题。早期使用小型发动机的汽车以汽缸顶部的翅片作为散热器,进行无源冷却。随着发动机的变大和热负荷的增加,这些翅片变得大而笨重,因此加入了循环流体以将热量从翅片上带走并传送到散热器。当汽车移动时空气通过该散热器流动,这也是一种无源散热系统。但最终,随着发动机变得更大,无源散热方法已无法满足需求,除非车辆移动,否则很容易过热。因此,在散热器后面增加一个风扇,不管汽车的速度如何,都会让空气通过它。

建模和仿真对于高效热管理策略至关重要,可用来确定需要多少冷气以及如何实现冷却。好消息是,这比射频或电磁场的寄生和异常等其他类型的电子建模要容易和精确得多。

对于微型模型来说,热源及其所有热量流通路径的特征在于它们的热阻,而热阻由其使用的材料、质量和尺寸决定。通过建模可显示热量如何从热源流出,建模也是评估因自身散热而导致热事故的组件的第一步,例如高散热IC、MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT),甚至是电阻。这些器件的供应商通常提供热模型,而这些模型能够提供从热源到器件表面的热路径细节(图6)。

“图6:所安装FET的机械模型(左)用于开发等效的热阻模型(右),以模拟器件的散热情况(资料来源:International
图6:所安装FET的机械模型(左)用于开发等效的热阻模型(右),以模拟器件的散热情况(资料来源:International Rectifier/Infineon)

请注意,对于某些组件,其各个表面的温度可能不同。例如,芯片的底面自然会比封装顶部的顶面更热一些,所以供应商可能会将封装设计为向顶部传送更多的热量,从而更好地利用顶面散热器。

一旦各组件代表的热负载已知,下一步就是宏观层面建模,这一点既简单又复杂。作为一阶近似,通过各种热源的气流可以调整大小以将其温度保持在允许的限值以下。使用空气温度、非强制气流可用流量、风扇气流量和其他因素进行基本的计算就可以大致了解温度状况。

下一步是使用各种热源的模型以及位置、PC板、外壳表面和其他因素,对整个产品及其封装进行更复杂的建模。这种类型的建模基于计算流体动力学(CFD),可以非常准确地显示封装中每个位置的温度(图7)。

“图7:使用计算流体动力学(CFD)分析,可以看到整个系统或电路板上的详细热分布情况。例如图中可以看出该PC板有三个主要热源(红色),并且热量可以在扩展板上左右流动(资料来源:Texas
图7:使用计算流体动力学(CFD)分析,可以看到整个系统或电路板上的详细热分布情况。例如图中可以看出该PC板有三个主要热源(红色),并且热量可以在扩展板上左右流动(资料来源:Texas Instruments)

通过做出“假设”调整,设计人员可以查看更大的空气端口是否需要更多空气,确定其他气流路径是否更有效,识别使用更大或不同散热器的差异之处,调查关于使用热管移动热点的情况等。这些CFD建模软件包可生成表格化数据以及散热情况的彩色图像。风扇尺寸、气流和位置的影响变化也很容易建模。

最后,建模还要解决另外两个问题。首先,热管理存在峰值与平均耗散的问题。热耗散持续为1W的稳态组件与热耗散10W但具有10%间歇占空比的器件相比,具有不同的热影响。原因是即使平均热耗散相同,相关的热质量和热流量也会导致不同的热分布。大多数CFD应用程序可以将静态与动态结合起来进行分析。

其次,组件级微型模型必须考虑表面之间物理连接的不完善性,例如IC封装顶部与散热器之间的物理连接。如果这个连接有微小的间距,那么这条路径的热阻就会相对较高。因此,在这些表面之间通常使用薄的导热垫来增强路径的导热性(图8)。

“图8:由于存在微小的气隙,用户通常可以插入导热但电绝缘的垫片以尽量减轻IC及其散热片之间的热阻,例如具有5.0W/m-K热阻的AP
图8:由于存在微小的气隙,用户通常可以插入导热但电绝缘的垫片以尽量减轻IC及其散热片之间的热阻,例如具有5.0W/m-K热阻的AP PAD HC 5.0热接口高柔性硅基垫(资料来源:Bergquist Company)

结论

热管理是电源管理的一个重要方面,它需要将组件和系统保持在温度限制范围内。无源解决方案从散热器和热管开始,并可以使用风扇进行有源冷却而使散热效果得到增强。组件级和成品级的系统建模允许设计人员对散热策略进行一阶近似分析。使用计算流体动力学做进一步分析可以全面了解整体热量情况以及散热策略变化的影响。所有的热管理解决方案都涉及尺寸、功率、效率、重量、可靠性以及成本等方面的权衡,并且必须对项目的优先级和约束条件进行评估。

“作者:Bill
作者:Bill Schweber

Bill Schweber是贸泽电子撰稿人,也是一名电子工程师。他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理员以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司(模拟与混合信号IC的领先供应商)负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。

在担任ADI的MarCom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp.)实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。

他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还规划、编写并演示了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。

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