電源管理中的熱管理解決方案分析

當電氣工程師使用“電源管理”這個詞語時，大多數(shù)人會想到通過轉換器、調節(jié)器以及其他具有功率處理和功率轉換功能的器件構成的各種直流電源。但是，電源管理還遠不止這些功能。由于效率低下所有電源都會發(fā)熱并且所有元件都必須散熱。

因此，電源管理也涉及到熱量管理，尤其是功耗相關功能的耗散會如何影響熱設計和熱量累積。此外，即使元件和系統(tǒng)都在規(guī)格范圍內持續(xù)工作，但隨著元件參數(shù)漂移，溫度增加將會引起性能的變化。如果不是徹頭徹尾的失敗，這可能導致最終的系統(tǒng)故障。熱量也會縮短組件壽命，進而縮短平均故障時間，這也是保證長期可靠性需要考慮的因素。

有兩個熱管理的觀點，設計人員必須審查：

“微觀”視圖，其中單個組件由于過度自耗散而處于過熱的危險中，但系統(tǒng)的其余部分（及其外殼）在可接受范圍內。

宏觀情況，由于多個源的熱量累積而導致整個系統(tǒng)溫度過高。

一個設計難點是要確定多少熱量管理問題是由于微觀與宏觀相對造成的以及這兩者相關的程度。很顯然，一個高溫的部件 - 甚至溫度超過了其允許的極限-將會導致系統(tǒng)升溫，但這并不一定意味著整個系統(tǒng)都很熱。但是，這意味著組件多余的熱量必須被管理和減少。

在討論熱管理和使用諸如“散熱”或“排熱”等短語時總要牢記在心的一個問題是：熱量要散發(fā)到哪里？ 憤世嫉俗的人可能會說，設計師的挑戰(zhàn)是找到某個地方散發(fā)熱量，從而使他或她的問題變成別人的問題。

雖然這個觀點確實有點憤世嫉俗，但確實是有道理的。挑戰(zhàn)是將熱量傳遞到較冷的地方，以免對系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。 這可能是系統(tǒng)和機箱的相鄰部分，或者可能完全在機箱外部（只有外部比內部溫度低時才有可能）。 還要記住熱力學定律之一：除非使用某種主動泵送機械，否則熱量只能從溫度高的位置傳遞到溫度低的位置。

熱管理解決方案

熱量管理由物理學基本原理來掌控。在冷卻模式下，熱傳導有三種方式：輻射，傳導和對流（圖1）：

圖1：熱傳遞有三種機制，而在特定情況下各種機制的程度不同（來源：Kmecfiunit / CC BY-SA 4.0）

最簡單的說法是：

輻射是指電磁輻射（主要是紅外線）帶走的熱量，并且可以發(fā)生在真空中。 在大多數(shù)應用中，這不是主要的冷卻因素; 在太空真空中就是一個例外，在太空中，輻射是從宇宙飛船吸走熱量的唯一途徑。

傳導是通過固體或液體的熱量流動，而傳熱材料沒有實際移動（盡管液體確實流動）。

對流是如空氣或水這樣的流體介質攜帶的熱量流動。

對于大多數(shù)電子系統(tǒng)來說，實現(xiàn)冷卻所需的是將熱量傳導離開直接的熱源，然后將熱量傳遞到其他地方。 設計上的挑戰(zhàn)是將各種熱管理硬件-即原始的非電子意義上的硬件結合起來，以有效地實現(xiàn)所需的傳導和對流。

有三個最常用的元件：散熱器，熱管和風扇。 散熱器和熱管是被動的，自供電的冷卻系統(tǒng)，其還包括自然引發(fā)的傳導和對流方法。 相比之下，風扇是一種主動的，強制冷卻系統(tǒng)。

從散熱器開始

散熱器是鋁或銅結構，可通過傳導作用從源獲取熱量，并將其暴露于氣流中（在某些情況下，暴露于水或其他液態(tài)流體中）以便實現(xiàn)對流。 它們有數(shù)千種尺寸和形狀，從連接單個晶體管（圖2）的小型沖壓金屬翅片到連接具有許多可以攔截對流空氣流并將熱量傳輸?shù)皆摎饬鳎▓D3）的翅片的大型擠壓件。

圖2：Aavid Thermalloy 574502B00000G散熱片旨在滑動到TO-220封裝晶體管上，具有21.2C / W的熱阻; 尺寸大約10×22×19毫米。

圖3：來自Cincom的較大的擠壓式多翅片散熱片（M-C308，M-C091，M-C092）專為大型IC和模塊而設計。最小的是60×60×20mm高，最大的是60×110×25mm高。

散熱器的優(yōu)點之一是沒有移動部件，沒有運行成本，也沒有故障模式。一旦適當尺寸的散熱器連接到電源上時，隨著暖空氣的升起，對流就會自然而然地發(fā)生，從而開始并持續(xù)形成氣流。因此，當使用散熱器來給源的入口到出口之間提供暢通的空氣流動時，這是至關重要的。 而且，入口必須在散熱器的下方并且出口在上方; 否則，熱空氣會停滯在熱源之上，并使情況進一步惡化。

盡管散熱片易于使用，但它的確有一些負面影響。 首先，傳輸大熱量的散熱片體積大，成本高，重量大。 而且，它們必須正確放置，從而可以影響或限制物理電路板的布局。 它們的翅片也可能被氣流中的灰塵堵塞，從而大大降低了效率。 它們必須被正確地連接到熱源上，以使熱量能夠暢通從源流向散熱器。

首先由于在尺寸，配置以及其他因素上有如此多的散熱片可供選擇，這使得選擇是壓倒性的。 請注意，有許多通用散熱器以及針對特定集成電路的散熱器，例如特定處理器或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA））。

也存在不是分立元件的散熱器實例。 有些集成電流使用引腳或導線將熱量從其裸片和主體傳導到它們的PC板上，然后用作散熱片。其他的集成電路實際上在其封裝下有一個銅塞; 當它被焊接到印刷電路板上時，金屬塊用作去除裸片熱量流動的路徑。 這是一種低成本而又有效的散熱方式，但是這得假定其余的PC板較冷并且附近沒有其他的組件也在使用該冷卻板。 實際上，每臺設備都試圖將多余的廢熱排放到鄰近區(qū)域，這是一場零和游戲。

增加熱管

熱管理工具的另一個重要器件是熱管（圖4）。這種被動元件與工程師所希望的“幾乎沒有任何東西”是接近的，因為它不需要任何形式的主動強制機制就可以將熱量從點A移動到點B。 簡而言之，熱管是密封的包含芯和工作流體的金屬管。 熱管的作用是從熱源吸收熱量并將其傳送到較冷的區(qū)域，但本身不能作為散熱器。當熱源附件沒有足夠的空間放置散熱器或氣流不足時便可以使用熱管。 熱管工作效率高，可以將熱量從源頭傳送到便于管理的地方。

圖4：Wakefield-Vette（型號120231）的微型熱管尺寸僅為6mm×1.5mm，用于傳輸高達25W的熱負荷。 （來源：Wakefield-Vette）

熱管是如何工作的？ 這簡單而巧妙：它實現(xiàn)了相變，這是熱物理學的一個基本原理。 熱源將工作流體轉變成密封管內的蒸汽，并且蒸氣伴隨著熱量傳遞到熱管的冷卻端。 在冷卻端，蒸氣冷凝成液體并釋放熱量，而流體返回到溫度較高端。這種氣液相變過程是連續(xù)運行的，并且僅由冷端和暖端的熱差供電。

熱管有多種直徑和長度，大部分的直徑大約在四分之一英寸到二分之一英寸之間，長度在幾英寸到一英尺之間。 與水管一樣，直徑大的管道能傳送更多的熱量。 在冷端連接散熱器或其他冷卻裝置可以解決局部熱點阻礙散熱的問題。

添加一個風扇

最后還有一些風扇（圖5），它標志著背離被動，需要自供電的散熱器和熱管，而開始研制主動地，強制空氣冷卻裝置誕生的第一步。 風扇既可以解決問題，又會引起頭痛，所以設計師在使用時會有不同的情緒。

圖5：臺達電子的30mm直徑x 6.5mm深的型號為ASB0305HP-00CP4的微型風扇，采用單個+ 5V脈寬調制器（PWM）信號，能夠提供約0.144m3 / min（5ft.3 / min ）的氣流。 它由PWM信號驅動，并包含轉速計反饋信號。 （來源：臺達電子）

很顯然，風扇增加了成本，需要空間，而且增加了系統(tǒng)噪音。作為一種機電設備，風扇還容易發(fā)生故障，消耗能量并影響整個系統(tǒng)的效率。 但是，在許多情況下，尤其是當氣流路徑是彎曲的或者不暢通時，它們通常是能夠獲得足夠氣流的唯一途徑。 許多應用都使用那些只有在需要降低轉速的情況下才運行的熱控制風扇，從而降低功耗，并采用可在最佳運行速度下降低噪音的葉片。

定義風扇能力的關鍵參數(shù)是每分鐘空氣的單位長度或單位體積流量。物理尺寸也是一個問題; 顯然，低轉速大風扇可以產(chǎn)生與高轉速小風扇相同的氣流，因此存在尺寸/速度的折衷。 一些設計使用內部導風板來引導氣流通過熱區(qū)域和散熱器以獲得最佳性能。

建模及綜合仿真

單獨使用被動冷卻亦或是使用強制通風系統(tǒng)往往是一個困難的決定。單獨的被動系統(tǒng)較大，但更高效和可靠，而風扇可以在不能單獨使用被動冷卻的情況下運行。

當然，有些情況下單獨使用被動系統(tǒng)是不適當或者不切實際的。其中一個實例是汽車發(fā)動機熱量的管理問題。早期的帶有小型發(fā)動機的汽車通過汽缸頂部的翅片作為散熱片。 隨著發(fā)動機的變大和熱負荷的增加，這些翅片變得大而笨重，因此加入循環(huán)流體作為散熱器以將熱量從翅片上帶走，當汽車移動時空氣通過該散熱器流動。這也是一種被動系統(tǒng)。 但最終，隨著發(fā)動機變得更大，被動的散熱方法是不夠的，除非車輛移動，否則車輛將處于過熱的狀態(tài)。 因此，在散熱器后面增加一個風扇，不管汽車的速度如何，都會讓空氣通過它。

建模和仿真對于有效熱管理策略至關重要，有效熱管理要確定需要多少冷卻以及如何實現(xiàn)冷卻。 好消息是，這種活動比其他類型的諸如射頻或電磁場的寄生和異常這類電子建模要容易和精確得多。

對于微型模型來說，熱源及其所有熱路徑的特征在于它們的熱阻，熱阻由所使用的材料，質量和尺寸決定。 這顯示了熱量將如何從源流出，也是評估因自身耗散而導致熱事故的組件的第一步，例如高耗散IC，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT），甚至是電阻。這些設備的供應商通常提供熱模型，而這些熱模型能夠提供從源到表面的熱路徑細節(jié)（圖6）。

圖6：安裝的FET機械模型（左）用于開發(fā)等效的熱阻模型（右），用于仿真器件的散熱情況。

請注意，對于某些組件，其各個表面的溫度可能不同。 例如，芯片的底面自然會比封裝頂部的封面更熱一些，所以供應商會設計封裝以向頂部傳遞更多的熱量，從而更好地利用頂面散熱器。

一旦各組件代表的熱負載已知，下一步就是宏觀層次建模，這一點既簡單又復雜。 作為一階近似，通過各種熱源的氣流在極限允許范圍內可以保持其溫度。使用空氣溫度，非強制氣流可用流量，風扇空氣流量和其他因素進行基本的計算就可以大致了解這種情況。

下一步是使用各種熱源模型，考慮它們的位置，印刷電路板，外殼表面以及其他因素，從而對整個產(chǎn)品及其包裝進行更復雜的建模。 這種類型的建?；诹黧w動力學（CFD），可以非常準確地顯示箱子中每個位置的溫度（圖7）。

圖7：使用流體動力學（CFD）分析，可以看到整個系統(tǒng)或電路板上的詳細熱分布情況，如由具有三個主要熱源（紅色）和熱量可以左右流動的擴展板的PC板.（來源：德州儀器）

通過做出“假設”調整，設計人員可以通過更大的空氣端口查看是否需要更多空氣，確定不同的氣流路徑是否更有效，識別使用更大或不同散熱器的差異，調查熱管對于熱點移動的使用情況等。 這些CFD建模軟件包可生成表格數(shù)據(jù)以及散熱情況的彩色圖像。 諸如風扇尺寸，氣流和位置的影響也要在在建模中考慮到。

最后，建模應該解決另外兩個因素。首先，存在峰值與平均耗散的問題。功耗持續(xù)為1W的穩(wěn)態(tài)組件與散熱10W但具有10％間歇占空比的器件相比，具有不同的熱影響。 原因是即使平均熱耗散相同，相關的熱質量和熱流量也會導致不同的熱分布。 大多數(shù)CFD應用程序可以將靜態(tài)與動態(tài)結合起來進行分析。

其次，組件級微型模型必須考慮表面之間物理連接的不完善性，例如IC封裝頂部與散熱器之間的物理連接。如果這個連接有微小的差距，那么這條路徑的熱阻會相對較高。 出于這個原因，在這些表面之間通常使用薄的導熱墊來增強路徑的導熱性（圖8）。

圖8：通常由于微觀空隙，用戶可以插入導熱但電絕緣的焊盤以使IC和散熱片之間的熱阻最小化，例如具有5.0W / mK熱阻的AP PAD HC 5.0熱接口高柔性硅基墊。

熱管理是電源管理的一個重要方面，它需要將組件和系統(tǒng)保持在溫度限制范圍內。 被動的方案從散熱器和熱管開始，并可能通過使用風扇進行主動冷卻而使冷卻效果得到增強。 在組件級和成品級的系統(tǒng)模型中允許設計人員對冷卻策略進行一階近似分析。使用流體動力學進一步分析可以全面了解整個散熱情況以及冷卻策略變化的影響。 所有的熱管理解決方案都涉及尺寸，功率，效率，重量，可靠性以及成本等方面的權衡，并且必須對項目的優(yōu)先級和約束條件進行評估。