給電子系統(tǒng)降溫 選對這幾種基礎組件很重要！

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。雖然并不是每項設計都需要開發(fā)熱管理解決方案，但要避免關鍵部件因溫度升高而損壞，設計人員對熱量產生、移動和消除的基本理解是至關重要的。最后，熱管理需要在早期設計階段就加以考慮，而不是在最終設計中作為一個創(chuàng)可貼式的解決方案。

熱管理基礎知識

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、對流和輻射。

在傳導方式下，通過兩個物體之間的物理接觸轉移熱能，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：現實中的熱傳導圖片:（圖片來源：CUI Devices）

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

圖 2：現實中的對流（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，這種方法相當無效，而且在大多數熱計算中都會被忽略，因為這種方式通常只適用于真空應用，真空條件下不可能選擇傳導或對流。從原理上講，輻射是通過熱粒子振動時產生的電磁波來傳遞熱量的。

圖 3：現實中的輻射。（圖片來源：CUI Devices）

雖然不是上述三個基本熱學概念之一，但也有必要提及熱阻或熱阻抗，這個參數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。

熱管理基礎組件

常見的電子系統(tǒng)冷卻方法有三種：散熱器、風扇和珀爾帖模塊。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備和冷卻介質（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這一點，而且采用熱阻抗低于典型半導體的材料制成。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。風扇或風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。

風扇和風機有各種形狀和尺寸，并提供各種不同的功率選擇。產生氣流的能力就是其關鍵的技術規(guī)格，通常以立方英尺/分鐘  (CFM)  為單位。有些風扇和風機帶有控制器，因此可以作為基于反饋的控制系統(tǒng)的一部分用來調節(jié)轉速，以符合當前的冷卻需求。風扇有助于改善冷卻，但設計時要考慮風扇需要電源，有時還需要控制電路。與散熱器相比，風扇也可能產生噪音，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將熱量從模塊的一側傳遞到另一側的半導體元件。為了移動熱量，必須向珀爾帖設備提供能量，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扇一起使用。不過，珀爾帖模塊可以實現精確的溫度調節(jié)，可以將設備冷卻到環(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扇、散熱器和控制電路一起使用，從而增加成本和復雜性。由于這些原因，珀爾帖模塊通常只用于最苛刻的應用，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

無論最終的設計要求是什么，都可采用公認的方法為電子系統(tǒng)設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）

這些技術規(guī)格意味著需要使用珀爾帖模塊將設備溫度降至環(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 固定到設備上，這是一種熱界面材料 (TIM)，可以減少設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 風扇。

該器件通過 TIM 將需要冷卻的設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 和風扇的熱管理解決方案

利用這些數據，就可以計算出設備的穩(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，從而構成了滿足系統(tǒng)需求的熱管理解決方案。

結論

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