如何优化电子设备的热管理

简介：

所有设备都通过产生热量作为副产品来工作。为了防止这些设备过热，需要进行热管理。设备的效率与温度成反比。随后，高性能组件会产生热量，从而缩短设备的使用寿命并降低效率。因此，我们需要通过消除这些设备产生的热量来控制温度。

随着时间的推移，我们的设备变得越来越小，但功能却越来越多。这导致更快的处理速度，因此，随着功耗的增加产生更多的热量。同样，这些工具也被小型化以散热，这对工程师来说可能是一个挑战。通常，根据功率方程，散热必须与功耗成正比。工程师在管理功耗方面面临的三个主要问题包括密集的 PCB、增加的 IC 芯片密度以及设备的尺寸和移动性。

一些组件产生的热量很少，而其他设备产生的热量相对较高。因此，应采取措施延长其使用寿命和可靠性。通常，产生热量的隔离电子元件会这样做，直到设备内产生的热量等于损失到周围环境的热量并且设备达到平衡。热量通常是由于材料中电子流动的阻力而产生的。电阻越低，电导率越大，产生的热量就越少。焦耳定律 H=I2Rt 证明了这一点。

设备中的热管理：

热管理是电子设计的主要部分。为确保组件和系统热点的效率和准确性，必须将多余的热量带走。工程师可以使用智能热设计来减少与热相关的错误。三个严格的驱动力对热管理材料提出了要求。

首先，为了提高速度，设计人员将微处理器的内核压缩到更小的尺寸。这使我们每单位面积产生的热量更高。结果，由微处理器和散热器内的传导引起的温降与最大允许温降相当。其次，晶体管之间互连的温升有所增加。这是因为金属层的增加和互连之间的电流密度增加。第三，当代和计划中的晶体管技术的温度上升。通道尺寸的减小导致器件内的功率密度增加和电子-声子不平衡。这些对材料和固态物理学的研究提出了挑战。

电子冷却：

根据牛顿冷却定律，热量损失的速度与身体与其周围环境之间的温差成正比。随着身体温度的升高，热量损失也随之增加。当热损失率与产生的热率平衡时，设备达到其平衡温度。此温度会降低组件的使用寿命，因此必须采取某些措施进行热管理。

控制电路或设备温度的一种方法是通过通风增加气流。这将导致较低的工作温度。此外，请记住，在较高海拔地区降低大气密度会导致向周围环境的热传递效率降低和工作温度升高。有多种冷却设备的方式，例如散热器、热电冷却器、空气系统和风扇等。

1：散热器

热损失发生在组件表面，并随着表面积的增加而增加。降低工作温度的一种方法是增加表面积。这是通过将金属散热器连接到设备来实现的。散热片通常是热的良导体，如铜、铝等。散热片更有效的是整个单元通风良好。通常，当散热器和组件接触时，两者之间在表面上会有一个小的气隙。空气是热的不良导体，因此这限制了设备的热损失。为了克服这种影响，使用了传热化合物。

2：散热器

散热器也用作冷却装置。它们是导热金属板或箔片，用于将热量分布到更广泛的区域。它用作热源和二次热交换器（散热器等）之间的中间热界面。散热器可以用作带有发热元件的 PCB 的背板。热通孔用作散热器和组件封装之间的热通道，以改善热流。

3：热管

热管是密封的空心管，里面装有液体或冷却剂。一端连接到热源，另一端连接到二次热交换器（例如散热器）。产生的热量使液体在一端沸腾，该液体流向较冷的一端，在那里蒸汽冷凝并返回加热端。它们通常由导电金属制成，适用于空间有限的电路板设计。

4：热界面材料

这些是导热的预制材料，有多种形式（垫、粘合剂、凝胶等）。它们旨在填充接触表面之间的气隙。结果，最大表面积用于传热，并降低了工作温度。传热化合物可以有多种类型。 Electrolubes 生产导热膏，该膏由载液中的矿物填料组成（可能是非有机硅或有机硅基）。硅基浆料比非硅浆料具有更高的工作温度。重要的是，在使用导热材料时，器件和散热器之间的界面是完全填充的。

5：强制通风

强制空气是另一种常用的冷却方法。这可以通过使用风扇或鼓风机来增加通过发热部件的气流来完成。这增加了远离散热器的热空气流动，并且可以改善散热。可以使用各种尺寸的风扇，并且可以优化它们的位置以改善流动路径。

6：固态热泵

也称为TEC（热电冷却器），这些是薄而紧凑的半导体器件，放置在热源和散热器之间以改善散热。向 TEC 施加电压，在设备的两侧之间产生温差，并通过传导实现热传递。尽管这些效率不高，但它们确实可以移动大量热量并具有更长的使用寿命。此外，当电流反向时，传热流动反向，这会将设备变成加热器，并且可以证明是温度控制应用的理想选择。