技術(shù)資訊 I 電子電路板中的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱傳遞淺析

本文要點(diǎn)

在穩(wěn)態(tài)熱傳遞中，溫度是不隨時(shí)間變化的。

在瞬態(tài)熱傳遞中，溫度是隨時(shí)間變化的。

通過(guò)對(duì)電路板進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱傳遞分析，而獲得的熱通量和溫度場(chǎng)圖像，可以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化散熱片的幾何形狀和位置。

當(dāng)把石子投進(jìn)池塘?xí)r，水面會(huì)激起層層漣漪，之后又漸漸恢復(fù)平靜。在這個(gè)例子中，靜止的水面代表了池塘的穩(wěn)定狀態(tài)，而漣漪則代表了一種瞬時(shí)狀態(tài)。

所有熱傳遞過(guò)程都會(huì)先經(jīng)歷瞬態(tài)，最終到達(dá)穩(wěn)態(tài)；瞬態(tài)熱傳遞就好比池塘里的漣漪。

任何物理過(guò)程（例如振蕩、振動(dòng)或熱傳導(dǎo)）都有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)。所有的過(guò)程在經(jīng)歷了瞬態(tài)之后，都會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱傳遞中，溫度自始至終是恒定的；而在瞬態(tài)熱傳遞中，溫度隨時(shí)間而變化。

穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱傳遞的基本概述

熱傳遞是指，由于溫度差異，熱能從一個(gè)區(qū)域傳遞到另一個(gè)區(qū)域。熱量總是從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域。溫度梯度是熱傳的原動(dòng)力，如果沒(méi)有溫度梯度，凈熱傳遞就等于零。熱傳遞有三種傳熱模式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。無(wú)論哪種傳熱模式，都有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)。

讓我們比較一下穩(wěn)態(tài)熱傳遞與瞬態(tài)熱傳遞。

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穩(wěn)態(tài)傳熱

如果傳熱具有特定的恒定傳熱速率，那么便是穩(wěn)態(tài)傳熱。穩(wěn)態(tài)傳熱可以是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流或熱輻射過(guò)程。

圖為使用Cadence Celsius Thermal Solver獲得的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)圖像，圖像中模擬了電子系統(tǒng)周?chē)鷮?duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的影響。

無(wú)論何種傳遞方式，在穩(wěn)態(tài)傳熱中，其熱流率在任何時(shí)間點(diǎn)都保持不變。穩(wěn)態(tài)傳熱可以用溫度作為變量來(lái)描述；在穩(wěn)態(tài)傳熱中，在達(dá)到熱平衡后，系統(tǒng)的溫度不再隨時(shí)間變化。

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瞬態(tài)傳熱

瞬態(tài)傳熱也可稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。這種類(lèi)型的傳熱只在短暫的時(shí)間內(nèi)存在。在瞬態(tài)傳熱中，通過(guò)介質(zhì)傳遞的熱能不是恒定的。熱流率不斷變化，導(dǎo)致熱傳遞率變化的原因可以是介質(zhì)上的溫差波動(dòng)，也可以是介質(zhì)屬性的變化。

在現(xiàn)實(shí)世界中，熱傳遞一開(kāi)始是瞬態(tài)的，然后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即達(dá)到熱平衡。

穩(wěn)態(tài)溫度對(duì)器件故障率的影響

在電子電路中，當(dāng)一個(gè)器件的穩(wěn)態(tài)溫度超過(guò)其數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的極限時(shí)，就會(huì)有損器件的壽命。隨著穩(wěn)態(tài)溫度升高，器件的故障率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。不過(guò)，可以通過(guò)在器件上安裝散熱片來(lái)控制溫度。散熱片的幾何形狀、翅片的長(zhǎng)寬比、壓力和空氣動(dòng)力學(xué)屬性都會(huì)影響從器件到散熱片，以及從散熱片到環(huán)境的熱傳遞。

Celsius Thermal Solver 可同時(shí)提供瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析。

穩(wěn)態(tài)傳熱分析

通過(guò)穩(wěn)態(tài)傳熱分析得到電路板的熱通量和溫度場(chǎng)圖像，可以確定是否需要強(qiáng)制對(duì)流或散熱風(fēng)扇，優(yōu)化散熱器的幾何形狀和位置，以及優(yōu)化計(jì)算機(jī)處理器外殼的設(shè)計(jì)。

瞬態(tài)傳熱分析

如果設(shè)計(jì)師想確定電子電路板的溫度曲線與時(shí)間的關(guān)系，應(yīng)該進(jìn)行瞬態(tài)傳熱分析。在器件發(fā)熱停止的情況下，設(shè)計(jì)師可以通過(guò)瞬態(tài)傳熱分析來(lái)確定冷卻的速率。當(dāng)器件重新開(kāi)始發(fā)熱時(shí)，就可以得知重新發(fā)熱的速率。

在比較了穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)傳熱分析后，我們可以看出兩者都有各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提高電子電路板的熱性能而言都是至關(guān)重要的。那么，是否可以同時(shí)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)傳熱分析呢？

當(dāng)然可以！

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