電子應用中的潛在熱源及各種熱管理方法

電子元器件不喜歡在高溫下運行。任何表現(xiàn)出內(nèi)部自發(fā)熱效應的元器件，都會導致自身和周圍其他元器件的可靠性降低，長期過熱甚至還可能導致印刷電路板（PCB）變形，降低與其他元器件的連接完整性，并影響走線阻抗。通常情況下，容易產(chǎn)生廢熱的元器件包括電源和各種形式的功率放大器［音頻或射頻（RF）］，但現(xiàn)代片上系統(tǒng)（SoC）、電源轉(zhuǎn)換模塊和高性能微處理器也會產(chǎn)生大量內(nèi)部熱量。

尋找熱源

熱管理是電子設計的一個重要方面，因為它有助于調(diào)節(jié)電子元器件的溫度，防止過熱造成損壞。一些電子元器件在日常運行中會產(chǎn)生熱量，如果這些熱量得不到充分散發(fā)，就會縮短它們的整體使用壽命，或造成永久性損壞。熱管理的目標就是要讓電子元器件維持在安全工作溫度下，確保其長期可靠性和性能。產(chǎn)生的這些熱量實際上是一種能量損失，表明能源沒有得到充分利用。我們將在后文中了解到散熱可以采用的各種方法，包括使用風扇實現(xiàn)強制風冷和使用散熱器實現(xiàn)對流散熱。

要實施熱管理，就必須了解設計中采用的每個元器件的安全工作溫度范圍。數(shù)據(jù)手冊中通常會給出溫度下限和上限之間的范圍，這個范圍通常稱為安全工作區(qū)（SOA），它定義了元器件能夠可靠運行而不會出現(xiàn)不可預測行為或過早老化的溫度范圍。此外，電路正常工作的環(huán)境溫度也是一個重要的考慮因素。

可能產(chǎn)生多余熱量的應用和元器件包括以下幾種：

電源轉(zhuǎn)換：電源的作用是將電網(wǎng)的交流（AC）電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流（DC）電壓，這個過程中總會產(chǎn)生一些損耗。電源的效率通常因負載條件和轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構而異。例如，XP Power ASB160 160W AC/DC開關模式電源的最大滿載電源效率為91%至93%。這一規(guī)格表明，160W的線路輸入能量中最多有9%的能量（即14.4W）需要耗散。電源中可能的熱源包括開關MOSFET、二極管和電感器。

電機驅(qū)動器：大功率工業(yè)電機柵極驅(qū)動器電路中的MOSFET會產(chǎn)生大量廢熱。半導體或集成模塊的末級通常是主要熱源，需要安裝散熱器和其他散熱元器件。MOSFET或其他功率半導體在傳導過程中的內(nèi)部串聯(lián)電阻可能并不大，但在大電流、高壓應用中，它們產(chǎn)生的熱量仍然會相當可觀。

無源元器件自發(fā)熱：許多人都知道電容器、電阻器和電感器等無源元器件會有內(nèi)部自發(fā)熱的問題。也許每個零件損失的能量都不多，但這些零件的使用量往往都很大，因而會成為重要的熱源。

放大：任何基于半導體或模塊的放大電路都會產(chǎn)生一定的熱量，而音頻和射頻放大器是其中最主要的兩種。放大器的效率和輸入功率決定了需要耗散的最大熱量。不同的放大器拓撲結(jié)構有不同的效率，因此必須要了解各種用例中可能的峰值功率以及放大器的工作效率。

PCB走線和互連：在峰值負載條件下，PCB走線的阻抗總是有可能產(chǎn)生熱量。PCB走線的寬度和布局應根據(jù)最大工作條件進行計算，否則有可能出現(xiàn)局部發(fā)熱、變形乃至起火。同樣，電路板互連器件若長期負載過高，也會在連接器端子處產(chǎn)生熱量，導致?lián)p壞乃至起火。

除了檢查元器件數(shù)據(jù)手冊中的安全工作溫度和了解電路參數(shù)外，還可以使用熱成像儀（圖1）獲取主要發(fā)熱元器件的準確圖像。

圖1：顯示重要熱源的PCB熱紅外圖像（圖源：Teledyne Flir）

熱對元器件可靠性的影響

高溫會對元器件的可靠性產(chǎn)生巨大影響。圖2所示為額定溫度+85°C和+105°C的多層陶瓷電容器（MLCC）的預計壽命可靠性。從中可見，當工作溫度為50°C時，額定溫度+85°C的MLCC使用壽命為40年；如果平均工作溫度升高10°C至60°C，那么它的使用壽命就會縮短至10年。

圖2：溫度對MLCC壽命的影響（圖源：Murata）

對于任何系統(tǒng)，可靠性的量化標準都是平均故障間隔時間（MTBF），它是根據(jù)元器件可靠性參數(shù)計算出來的。過熱會導致平均工作溫度升高，進而降低元器件的MTBF。

此外，許多半導體元器件和電池都會出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。在這種連鎖反應現(xiàn)象中，電流會因溫度升高而增大，這就形成了惡性循壞，從而導致元器件故障、系統(tǒng)過載和火災。

熱管理技術

散熱有多種方式，包括傳導和對流。傳導是指熱量（熱能）從一個物體傳遞到另一個物體。將熱能從高溫元器件傳導到低溫物體，就可以降低元器件的溫度。傳導是最有效的熱傳遞方法，因為它所需的表面積最小。

對流冷卻利用移動的氣流，將熱量從物體帶到周圍的空氣中。當空氣帶走熱量時，會吸入更多的空氣，從而增加氣流并降低熱源的溫度。氣流可以自然產(chǎn)生，也可以強制產(chǎn)生；例如，使用風扇就可以加快散熱。此外，散熱器可以增加元器件的有效表面積，提高散熱量。

熱阻抗和熱界面材料

熱阻抗衡量的是材料的導熱效率，是熱管理計算中的一個重要參數(shù)。例如，導熱墊、凝膠和糊劑等熱界面材料（TIM）可改善功率MOSFET之間的熱傳導。其中一些材料在導熱的同時，還能實現(xiàn)電隔離。Würth Elektronik就可以提供多種這樣的熱界面材料（圖3）。例如，WE-TINS系列是一種薄硅膠墊，可在電子元器件和散熱組件之間實現(xiàn)電絕緣，同時促進熱量傳導；WE-TGFG系列在泡沫芯外包裹了一層合成石墨，是一種導熱性高、不含硅膠的熱擴散替代材料，可用于填充垂直間隙。

圖3：Würth Elektronik提供的部分熱界面材料（圖源：Würth Elektronik）

此外，Panasonic也提供一系列熱管理解決方案，EYG-R石墨墊就是其中的一款，具有安裝簡便、可靠性高和熱阻低的特點，因為其一側(cè)表面更加光滑，熱接觸更良好。這些石墨墊具有較高的可壓縮性，能有效填充發(fā)熱和散熱器件之間的空隙，從而實現(xiàn)更好的熱傳導。

散熱器

散熱器有豐富多樣的形狀和尺寸。其中，既有專門設計用于特定功率半導體和IC/SoC封裝的產(chǎn)品，也有其他適用于行業(yè)標準模塊的產(chǎn)品，比如Advanced Thermal Solutions Inc.的ATS maxiFLOW系列散熱器，就是專為全磚DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊而設計的。

CUI Devices還提供各種適用于半導體封裝和模塊的散熱器。為幫助用戶進行選擇，CUI還提供了散熱器選擇指南。

風扇

風扇可以提供流過PCB和散熱器的強制氣流。CUI Devices提供的此類產(chǎn)品包括變速直流離心式風扇和直流軸流式風扇，兩者均采用omniCOOL軸承系統(tǒng)。

珀爾帖模塊

珀爾帖（Peltier）熱電模塊可以冷卻半導體和其他小型發(fā)熱元器件，非常適合用在空間有限的外殼中。珀爾帖熱電效應是指，當電流通過兩種不同的導電材料時，熱能也會在這兩種材料之間流動。該效應由法國物理學家讓?珀爾帖（Jean Peltier）發(fā)現(xiàn)，是塞貝克（Seebeck）效應的反效應。這些結(jié)構緊湊的模塊通常使用P型和N型半導體顆粒，無需移動部件即可實現(xiàn)從熱源到散熱器的有效熱傳遞。

圖4所示即為熱源和散熱器之間的熱能流動。CUI Devices提供一系列標準型和微型珀爾帖模塊，可適應高達+77°C的溫度梯度。

圖4：使用珀爾帖模塊時，從熱源到散熱器的溫度梯度（圖源：CUI Devices）

（作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick）