給電子系統(tǒng)降溫 選對這幾種基礎(chǔ)組件很重要！

電子系統(tǒng)的密度越來越大，溫度也越來越高，這意味著許多系統(tǒng)將需要采用某種方法來管理熱量。雖然并不是每項設(shè)計都需要開發(fā)熱管理解決方案，但要避免關(guān)鍵部件因溫度升高而損壞，設(shè)計人員對熱量產(chǎn)生、移動和消除的基本理解是至關(guān)重要的。最后，熱管理需要在早期設(shè)計階段就加以考慮，而不是在最終設(shè)計中作為一個創(chuàng)可貼式的解決方案。

熱管理基礎(chǔ)知識

由于市場對電子系統(tǒng)的要求越來越高，理論上規(guī)定了用于部件冷卻的三種熱量傳遞方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。

在傳導(dǎo)方式下，通過兩個物體之間的物理接觸轉(zhuǎn)移熱能，其中較冷的物體自然地從較熱的物體中吸取能量，也許傳導(dǎo)是最有效的能量傳遞方法。一般來說，這種方法只需要最小的表面積就能傳遞最大的能量。

圖 1：現(xiàn)實中的熱傳導(dǎo)圖片:（圖片來源：CUI Devices）

第二，對流通過空氣的運動重新分配熱能。當(dāng)較冷的空氣流經(jīng)較熱的物體時，會從物體上吸收熱量，并在繼續(xù)流過設(shè)備時將熱量帶走。這種方法可以通過自然空氣對流或風(fēng)扇強制空氣對流來完成。

圖 2：現(xiàn)實中的對流（圖片來源：CUI Devices）

第三，輻射是以電磁波形式的發(fā)射能量。相對而言，這種方法相當(dāng)無效，而且在大多數(shù)熱計算中都會被忽略，因為這種方式通常只適用于真空應(yīng)用，真空條件下不可能選擇傳導(dǎo)或?qū)α?。從原理上講，輻射是通過熱粒子振動時產(chǎn)生的電磁波來傳遞熱量的。

圖 3：現(xiàn)實中的輻射。（圖片來源：CUI Devices）

雖然不是上述三個基本熱學(xué)概念之一，但也有必要提及熱阻或熱阻抗，這個參數(shù)可以用來量化物體之間的熱傳遞效果，且在進行熱管理解決方案設(shè)計時被廣泛使用。簡單地說，熱阻抗越低，能量傳遞就越好。利用熱阻抗和給定的環(huán)境溫度，可以準(zhǔn)確地計算出在達到一定溫度之前能夠耗散多少功率。

熱管理基礎(chǔ)組件

常見的電子系統(tǒng)冷卻方法有三種：散熱器、風(fēng)扇和珀爾帖模塊。以上每種器件都可單獨使用，但如果組合使用時，可以達到更優(yōu)的散熱效果。

散熱器有許多形狀和尺寸選擇。散熱器用來提高對流冷卻效果，具體方法是減少其所連接的設(shè)備和冷卻介質(zhì)（通常是空氣）之間的熱阻抗。散熱器通過增加對流表面積來實現(xiàn)這一點，而且采用熱阻抗低于典型半導(dǎo)體的材料制成。散熱器成本很低，幾乎從不發(fā)生故障或磨損，但往往會增加其所冷卻的電子系統(tǒng)的體積。作為一種無源組件，散熱器通常與風(fēng)扇組合使用，以便更有效地將消散的熱能從系統(tǒng)中移走。風(fēng)扇或風(fēng)機在散熱器上形成穩(wěn)定的新鮮冷空氣流，以保持散熱器和冷卻空氣之間的溫差，從而確保持續(xù)有效的熱傳遞。

風(fēng)扇和風(fēng)機有各種形狀和尺寸，并提供各種不同的功率選擇。產(chǎn)生氣流的能力就是其關(guān)鍵的技術(shù)規(guī)格，通常以立方英尺/分鐘  (CFM)  為單位。有些風(fēng)扇和風(fēng)機帶有控制器，因此可以作為基于反饋的控制系統(tǒng)的一部分用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以符合當(dāng)前的冷卻需求。風(fēng)扇有助于改善冷卻，但設(shè)計時要考慮風(fēng)扇需要電源，有時還需要控制電路。與散熱器相比，風(fēng)扇也可能產(chǎn)生噪音，包含活動部件，因此更容易發(fā)生故障。

珀爾帖器件是利用珀爾帖效應(yīng)將熱量從模塊的一側(cè)傳遞到另一側(cè)的半導(dǎo)體元件。為了移動熱量，必須向珀爾帖設(shè)備提供能量，這實際上增加了系統(tǒng)的熱量，所以它們最好與散熱器和風(fēng)扇一起使用。不過，珀爾帖模塊可以實現(xiàn)精確的溫度調(diào)節(jié)，可以將設(shè)備冷卻到環(huán)境溫度以下。像散熱器一樣，帕爾貼器件中沒有活動部件，所以這種器件本身靈活、堅固，但同樣可能需要與風(fēng)扇、散熱器和控制電路一起使用，從而增加成本和復(fù)雜性。由于這些原因，珀爾帖模塊通常只用于最苛刻的應(yīng)用，例如從元器件密集的電子系統(tǒng)中心吸收熱能。

計算熱能需求

無論最終的設(shè)計要求是什么，都可采用公認的方法為電子系統(tǒng)設(shè)計有效的冷卻解決方案。為了方便說明工程師如何創(chuàng)建完整的熱管理解決方案，本文采用了一個假設(shè)性問題和解決方案：

在本例中，我們將使用一個穩(wěn)定狀態(tài)下可產(chǎn)生 3.3 W 熱量的 10 mm ×15 mm 封裝器件。該器件的工作環(huán)境溫度為 50℃，理想工作溫度為 40℃。該系統(tǒng)任何部分的溫度都不應(yīng)超過 100℃。

圖 4 ：CP2088-219 規(guī)格書中珀爾帖模塊的性能圖（圖片來源：CUI Devices）

這些技術(shù)規(guī)格意味著需要使用珀爾帖模塊將設(shè)備溫度降至環(huán)境溫度以下。CUI Devices 提供 CP2088-219 器件，這是一種微型珀爾帖模塊，可以消除 3.3 W 的熱能并為設(shè)備降溫，使其溫度比環(huán)境溫度低 10℃。珀爾帖模塊使用 SF600G 固定到設(shè)備上，這是一種熱界面材料 (TIM)，可以減少設(shè)備和冷卻器之間的熱阻抗。CP2088-219 的規(guī)格書（圖 4）顯示，珀爾帖模塊在 2.5V 電壓下需要 1.2 A 電流，這意味著該模塊運行時會給系統(tǒng)增加 3W 的熱能。

為了從珀爾帖模塊中移除總共 6.3 W 的熱能，在模塊另一側(cè)安裝了散熱器（HSS-B20-NP-12），同樣使用 SF600G TIM 作為熱界面。TIM 的面積為 8.8 mm × 8.8 mm，熱阻略低于 1.08℃/W。

散熱器的熱阻為 3.47°C/W，假設(shè)該散熱器上的氣流為 200 直線英尺每分鐘 (LFM)。

這將使得 TIM 和散熱器組合的總熱阻達到 4.55℃/W。

為了提供 200LFM 穩(wěn)定氣流，可使用 CFM-25B系列 風(fēng)扇。

該器件通過 TIM 將需要冷卻的設(shè)備與珀爾帖模塊連接。珀爾帖模塊的上表面通過另一種 TIM 與散熱器相連，整個組件都置于 200 LFM 的 50℃ 空氣中。

圖 5：使用珀爾帖器件、兩層 TIM 和風(fēng)扇的熱管理解決方案

利用這些數(shù)據(jù)，就可以計算出設(shè)備的穩(wěn)態(tài)溫度。珀爾帖模塊將保持其冷端為  40℃——但代價是給組件增加 3.3 W 的熱量。散熱器必須將 6.3 W 的熱量散發(fā)到 50℃  的氣流環(huán)境中，珀爾帖模塊和環(huán)境空氣之間的總熱阻為 4.55℃/W。用 6.3 W 乘以  4.55°C/W，就能確定比環(huán)境溫度高多少；在這種情況下，溫度為 28.67°C 或者總溫度為78.67°C。這遠遠低于 100°C  的要求，從而構(gòu)成了滿足系統(tǒng)需求的熱管理解決方案。

結(jié)論

在制冷、暖通空調(diào)、3D 打印和除濕機等消費類應(yīng)用中，熱管理已必不可少。熱管理用于科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用，如 DNA合成的熱循環(huán)器和高精度激光器。散熱器、風(fēng)扇和珀爾帖模塊有助于確保復(fù)雜的電子系統(tǒng)維持在其熱設(shè)計極限之內(nèi)。CUI Devices 提供了一系列熱管理組件，以簡化這一關(guān)鍵的選擇過程。