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解决热量挑战——电源管理之散热

  电源电池  candytang 2017-11-10187100
当电气工程师使用“电源管理”这个词语时,大多数人会想到通过转换器、调节器以及其他具有功率处理和功率转换功能的器件构成的各种直流电源。但是,电源管理还远不止这些功能。由于效率低下所有电源都会发热并且所有元件都必须散热。

因此,电源管理也涉及到热量管理,尤其是功耗相关功能的耗散会如何影响热设计和热量累积。此外,即使元件和系统都在规格范围内持续工作,但随着元件参数漂移,温度增加将会引起性能的变化。如果不是彻头彻尾的失败,这可能导致最终的系统故障。热量也会缩短组件寿命,进而缩短平均故障时间,这也是保证长期可靠性需要考虑的因素。
有两个热管理的观点,设计人员必须审查:
“微观”视图,其中单个组件由于过度自耗散而处于过热的危险中,但系统的其余部分(及其外壳)在可接受范围内。 宏观情况,由于多个源的热量累积而导致整个系统温度过高。
一个设计难点是要确定多少热量管理问题是由于微观与宏观相对造成的以及这两者相关的程度。很显然,一个高温的部件 - 甚至温度超过了其允许的极限-将会导致系统升温,但这并不一定意味着整个系统都很热。但是,这意味着组件多余的热量必须被管理和减少。
在讨论热管理和使用诸如“散热”或“排热”等短语时总要牢记在心的一个问题是:热量要散发到哪里? 愤世嫉俗的人可能会说,设计师的挑战是找到某个地方散发热量,从而使他或她的问题变成别人的问题。
虽然这个观点确实有点愤世嫉俗,但确实是有道理的。挑战是将热量传递到较冷的地方,以免对系统产生不利的影响。 这可能是系统和机箱的相邻部分,或者可能完全在机箱外部(只有外部比内部温度低时才有可能)。 还要记住热力学定律之一:除非使用某种主动泵送机械,否则热量只能从温度高的位置传递到温度低的位置。
热管理解决方案
热量管理由物理学基本原理来掌控。在冷却模式下,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,而在特定情况下各种机制的程度不同

最简单的说法是:
辐射是指电磁辐射(主要是红外线)带走的热量,并且可以发生在真空中。 在大多数应用中,这不是主要的冷却因素; 在太空真空中就是一个例外,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,而传热材料没有实际移动(尽管液体确实流动)。
对流是如空气或水这样的流体介质携带的热量流动。
对于大多数电子系统来说,实现冷却所需的是将热量传导离开直接的热源,然后将热量传递到其他地方。 设计上的挑战是将各种热管理硬件-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。
有三个最常用的元件散热器,热管和风扇。 散热器和热管是被动的,自供电的冷却系统,其还包括自然引发的传导和对流方法。相比之下,风扇是一种主动的,强制冷却系统。
从散热器开始
散热器是铝或铜结构,可通过传导作用从源获取热量,并将其暴露于气流中(在某些情况下,暴露于水或其他液态流体中)以便实现对流。 它们有数千种尺寸和形状,从连接单个晶体管(图2)的小型冲压金属翅片到连接具有许多可以拦截对流空气流并将热量传输到该气流(图3)的翅片的大型挤压件。

图2:Aavid Thermalloy 574502B00000G散热片旨在滑动到TO-220封装晶体管上,具有21.2C / W的热阻; 尺寸大约10×22×19毫米。


图3:来自Cincom的较大的挤压式多翅片散热片(M-C308,M-C091,M-C092)专为大型IC和模块而设计。最小的是60×60×20mm高,最大的是60×110×25mm高

散热器的优点之一是没有移动部件,没有运行成本,也没有故障模式。一旦适当尺寸的散热器连接到电源上时,随着暖空气的升起,对流就会自然而然地发生,从而开始并持续形成气流。因此,当使用散热器来给源的入口到出口之间提供畅通的空气流动时,这是至关重要的。 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,并使情况进一步恶化。
尽管散热片易于使用,但它的确有一些负面影响。 首先,传输大热量的散热片体积大,成本高,重量大。 而且,它们必须正确放置,从而可以影响或限制物理电路板的布局。 它们的翅片也可能被气流中的灰尘堵塞,从而大大降低了效率。 它们必须被正确地连接到热源上,以使热量能够畅通从源流向散热器。
首先由于在尺寸,配置以及其他因素上有如此多的散热片可供选择,这使得选择是压倒性的。 请注意,有许多通用散热器以及针对特定集成电路的散热器,例如特定处理器或现场可编程门阵列(FPGA))。
也存在不是分立元件的散热器实例。 有些集成电流使用引脚或导线将热量从其裸片和主体传导到它们的PC板上,然后用作散热片。其他的集成电路实际上在其封装下有一个铜塞; 当它被焊接到印刷电路板上时,金属块用作去除裸片热量流动的路径。 这是一种低成本而又有效的散热方式,但是这得假定其余的PC板较冷并且附近没有其他的组件也在使用该冷却板。 实际上,每台设备都试图将多余的废热排放到邻近区域,这是一场零和游戏。
增加热管
热管理工具的另一个重要器件是热管(图4)。这种被动元件与工程师所希望的“几乎没有任何东西”是接近的,因为它不需要任何形式的主动强制机制就可以将热量从点A移动到点B。 简而言之,热管是密封的包含芯和工作流体的金属管。 热管的作用是从热源吸收热量并将其传送到较冷的区域,但本身不能作为散热器。当热源附件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,用于传输高达25W的热负荷。

热管是如何工作的? 这简单而巧妙:它实现了相变,这是热物理学的一个基本原理。 热源将工作流体转变成密封管内的蒸汽,并且蒸气伴随着热量传递到热管的冷却端。 在冷却端,蒸气冷凝成液体并释放热量,而流体返回到温度较高端。这种气液相变过程是连续运行的,并且仅由冷端和暖端的热差供电。
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局部热点阻碍散热的问题。
添加一个风扇
最后还有一些风扇(图5),它标志着背离被动,需要自供电的散热器和热管,而开始研制主动地,强制空气冷却装置诞生的第一步。 风扇既可以解决问题,又会引起头痛,所以设计师在使用时会有不同的情绪。
图5:台达电子的30mm直径x 6.5mm深的型号为ASB0305HP-00CP4的微型风扇,采用单个+ 5V脉宽调制器(PWM)信号,能够提供约0.144m3 / min(5ft.3 / min )的气流。 它由PWM信号驱动,并包含转速计反馈信号。
很显然,风扇增加了成本,需要空间,而且增加了系统噪音。作为一种机电设备,风扇还容易发生故障,消耗能量并影响整个系统的效率。 但是,在许多情况下,尤其是当气流路径是弯曲的或者不畅通时,它们通常是能够获得足够气流的唯一途径。 许多应用都使用那些只有在需要降低转速的情况下才运行的热控制风扇,从而降低功耗,并采用可在最佳运行速度下降低噪音的叶片。
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/速度的折衷。 一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
单独使用被动冷却亦或是使用强制通风系统往往是一个困难的决定。单独的被动系统较大,但更高效和可靠,而风扇可以在不能单独使用被动冷却的情况下运行。
当然,有些情况下单独使用被动系统是不适当或者不切实际的。其中一个实例是汽车发动机热量的管理问题。早期的带有小型发动机的汽车通过汽缸顶部的翅片作为散热片。 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,因此加入循环流体作为散热器以将热量从翅片上带走,当汽车移动时空气通过该散热器流动。这也是一种被动系统。 但最终,随着发动机变得更大,被动的散热方法是不够的,除非车辆移动,否则车辆将处于过热的状态。 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。
建模和仿真对于有效热管理策略至关重要,有效热管理要确定需要多少冷却以及如何实现冷却。 好消息是,这种活动比其他类型的诸如射频或电磁场的寄生和异常这类电子建模要容易和精确得多。
对于微型模型来说,热源及其所有热路径的特征在于它们的热阻,热阻由所使用的材料,质量和尺寸决定。 这显示了热量将如何从源流出,也是评估因自身耗散而导致热事故的组件的第一步,例如高耗散IC,MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT),甚至是电阻。这些设备的供应商通常提供热模型,而这些热模型能够提供从源到表面的热路径细节(图6)。

图6:安装的FET机械模型(左)用于开发等效的热阻模型(右),用于仿真器件的散热情况。

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封面更热一些,所以供应商会设计封装以向顶部传递更多的热量,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,下一步就是宏观层次建模,这一点既简单又复杂。 作为一阶近似,通过各种热源的气流在极限允许范围内可以保持其温度。使用空气温度,非强制气流可用流量,风扇空气流量和其他因素进行基本的计算就可以大致了解这种情况。
下一步是使用各种热源模型,考虑它们的位置,印刷电路板,外壳表面以及其他因素,从而对整个产品及其包装进行更复杂的建模。 这种类型的建模基于流体动力学(CFD),可以非常准确地显示箱子中每个位置的温度(图7)。

图7:使用流体动力学(CFD)分析,可以看到整个系统或电路板上的详细热分布情况,如由具有三个主要热源(红色)和热量可以左右流动的扩展板的PC板

通过做出“假设”调整,设计人员可以通过更大的空气端口查看是否需要更多空气,确定不同的气流路径是否更有效,识别使用更大或不同散热器的差异,调查热管对于热点移动的使用情况等。 这些CFD建模软件包可生成表格数据以及散热情况的彩色图像。 诸如风扇尺寸,气流和位置的影响也要在在建模中考虑到。
最后,建模应该解决另外两个因素。首先,存在峰值与平均耗散的问题。功耗持续为1W的稳态组件与散热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差距,那么这条路径的热阻会相对较高。 出于这个原因,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。

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。 被动的方案从散热器和热管开始,并可能通过使用风扇进行主动冷却而使冷却效果得到增强。 在组件级和成品级的系统模型中允许设计人员对冷却策略进行一阶近似分析。使用流体动力学进一步分析可以全面了解整个散热情况以及冷却策略变化的影响。 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。
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