一種電子系統(tǒng)熱管理的設(shè)計和實現(xiàn)-設(shè)計應(yīng)用

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隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在軍用和民用的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為提高元器件和設(shè)備的熱可靠性以及對各種惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力，使電子元器件和設(shè)備的熱控制和熱分析技術(shù)得到了普遍的重視和發(fā)展。自1948年半導(dǎo)體器件問世以來，電子元器件的小型化、微小型化和集成技術(shù)的不斷發(fā)展，使每個集成電路所包含的元器件數(shù)超過了250000個，由于超大規(guī)模集成電路（VLSIC）、專門集成電路（ASIC）、超高速集成電路（VHSIC）等微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子器件和設(shè)備的組裝。

隨著組裝密度的提高，組件和設(shè)備的熱流密度也在迅速提高，如圖1-1所示。研究表明，芯片級的熱流密度高達(dá)100W/cm2,它僅比太陽表面的熱流密度低兩個數(shù)量級，太陽表面的溫度可達(dá)6000℃，而半導(dǎo)體集成電路芯片的結(jié)溫應(yīng)低于100℃，如此高的熱流密度，若不采取合理的熱控制技術(shù)，必將嚴(yán)重影響電子元器件和設(shè)備的熱可靠性。

障礙與路徑分析法

電子設(shè)備熱控制的目的是要為芯片級、元件級、組件級和系統(tǒng)級提供良好的熱環(huán)境，保證它們在規(guī)定的熱環(huán)境下，能按預(yù)定的方案正常、可靠的工作。熱控制系統(tǒng)必須在規(guī)定的使用期內(nèi)，完成所規(guī)定的功能，并以少的維護(hù)保證其正常工作的功能。

防止電子元器件的熱失效是熱控制的主要目的。熱失效是指電子元器件直接由于熱因素而導(dǎo)致完全失去其電氣功能的一種失效形式。嚴(yán)重的失效，在某種程度上取決于局部溫度場、電子元器件的工作過程和形式，因此，就需要正確地確定出現(xiàn)熱失效的溫度，而這個溫度應(yīng)成為熱控制系統(tǒng)的重要判據(jù)，在確定熱控制方案時，電子元器件的允許溫度和功耗應(yīng)作為主要的設(shè)計參數(shù)

市場上誕生了做設(shè)計、熱仿真和熱測試的EDA工具供應(yīng)商，例如MentorGraphics、Zuken等。近日，MentorGraphics的三維計算流體力學(xué)FloTHERM軟件（CFD），創(chuàng)新性地采用了散熱障礙（Bn）和散熱捷徑（Sc）分析技術(shù)。Mentor系統(tǒng)設(shè)計部市場開發(fā)總監(jiān)JohnIsaac稱，現(xiàn)在工程師可用一種非破壞的方式（即不需要把原來的樣品分割來看里面的熱特性），就能明確IC、PCB或者整個系統(tǒng)的熱流阻礙在哪里，以及為什么會出現(xiàn)熱流故障，同時還能確定解決散熱設(shè)計問題快有效的散熱捷徑。

散熱障礙與散熱路徑分析

散熱主要有三個途徑：輻射、傳導(dǎo)、自然對流。

就像河流中形成一些堰塞湖（障礙），或者蜿蜒的路一樣（路徑），在電子設(shè)計中，一些熱量會淤積在某處，或過長的散熱路徑影響散熱效率。

散熱障礙

為了說明方便，一般把溫度從低到高用藍(lán)色、黃色、橙色到紅色代表。我們可做如圖1的實驗，左上圖的是一塊鐵板，把它降為0℃，然后再把它接上100W電源，這時會有熱量傳導(dǎo)過來，鐵板溫度改變，受電端達(dá)到90℃，但板子另一端還是0℃左右，因為這個板子導(dǎo)熱很快。左下實驗在冷卻板--鐵板的中間替換成塑料，因為塑料不導(dǎo)熱，在加熱的時候，由于受到了阻擋，鐵板通電處的溫度就升高到了130℃，可見材料的改變可能會改變你的散熱效果。右上圖所有的條件都與左上圖一樣，還是鐵，但中間變細(xì)了，當(dāng)你通電以后，這塊板變細(xì)部分形成了瓶頸。

這個實驗說明，材料或結(jié)構(gòu)的改變都會改變散熱性能。

Mentor的經(jīng)驗公式是（圖1右下圖）：

Bn/Bn（max）=│熱通量│x│溫度梯度│x│角度余弦函數(shù)│

散熱捷徑

當(dāng)你的熱流路徑要走很長時，路過的區(qū)域越多，散熱肯定更慢。

圖2還是圖1形狀一樣的板子，但是用不同的材料，加熱仍是100W,但上側(cè)換成了銅（銅是導(dǎo)熱的材料之一），下面是塑料，用Mentor的FloTHERM9工具分析后，就會顯示某些地方高亮，就知道哪些地方散熱有問題，并考慮怎么能夠讓熱散得更塊--因為塑料導(dǎo)熱性很差，因此把塑料換成銅后（圖2右圖），熱量散得更快。

散熱

通過對PCB板側(cè)面觀察（如圖3），發(fā)現(xiàn)一些芯片的溫度，可以找到讓它更快散熱的其他熱流路徑，方法就是因為這個地方原來是空氣，因為空氣傳導(dǎo)能力非常小，換成導(dǎo)熱襯墊（通常是金屬）（散熱捷徑法）或金屬擠壓品（解決散熱障礙法，圖4），均增加了導(dǎo)熱性，結(jié)果可看出沒有紅色了。

實驗方法固然好，如果用軟件仿真更可節(jié)省設(shè)計時間。從熱分析工具中可以直觀看到散熱障礙在哪里，用散熱捷徑軟件提示我們哪里能夠進(jìn)一步改進(jìn)。例如焊點過熱，就需要改變焊接的方法等。

CamSemi公司是做電源管理方案的公司。該公司工程副總裁NigelHeather稱他們在研發(fā)新一代手機(jī)充電器IC時由于采用FloTHERM9而節(jié)省了時間和成本。

滿足高速放電的電路保護(hù)方案--MHP在電路過流（過熱）時，就需要用到電路保護(hù)方案。電路保護(hù)市場可以分為過流、過壓、防靜電（ESD）三大類，其中針對過流保護(hù)市場，目前的主要形式有性保險絲、可自恢復(fù)的PTC（正溫度系數(shù)）器件等，并且基于各自的不同特點而應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。不過，其中PPTC（聚合物正溫度系數(shù)）器件由于在技術(shù)上的不斷突破，已在低電阻需求領(lǐng)域如手機(jī)電池保護(hù)領(lǐng)域與性保險絲形成了較強(qiáng)的競爭態(tài)勢。

但對于鋰離子電池等高速放電和小型化的需求，市場呼喚能確保終端產(chǎn)品電池安全的、具有高性價比的高強(qiáng)度電路保護(hù)器件。

滿足高速放電的電路保護(hù)方案--MHP

近日，泰科電子（TycoElectronics）在PPTC的基礎(chǔ)上，推出金屬混合聚合物正系數(shù)溫度電阻（MetalHybridPPTC,MHP）技術(shù)，可用于額定值在30VDC/30A以上的各種高速放電電池應(yīng)用，比如無繩電動工具、電動自行車和備用電源等。

MHP（MultimediaHomePlatform）是由DVB聯(lián)盟制定的一種標(biāo)準(zhǔn)。作為DVB的一個工作項目，它開始于1997年。DVB-MHP的工作不僅覆蓋應(yīng)用程序接口API,而且還包括家庭數(shù)字網(wǎng)絡(luò)（IHDN）和本地集群，其目的是標(biāo)準(zhǔn)化家庭平臺，這對于未來成功應(yīng)用交互式多媒體是很關(guān)鍵的。它同時也可以看作是DVB純廣播工作到交互式TV應(yīng)用的自然升級，推動了電視業(yè)務(wù)從模擬電視到數(shù)字化電視的過渡。

MHP主要用于由于鋰離子（Li-ion）電池技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在更小、更輕和更高功率的鋰離子電池能夠取代以前在高速放電電池應(yīng)用中使用的鎳鎘或鉛酸電池。這種趨勢導(dǎo)致了高速放電鋰離子電池應(yīng)用市場的快速擴(kuò)張，這也相應(yīng)地形成了對能確保終端產(chǎn)品電池安全的、具有高性價比的高強(qiáng)度電路保護(hù)器件的需求。

MHP器件產(chǎn)品系列的首款產(chǎn)品MHP30-36器件的額定值為36VDC/100A,其中在100A電流（25℃）時的動作時間不到5秒。該器件的保持電流是30A,初始阻抗低于2mOhms.

泰科電子的電路保護(hù)產(chǎn)品大中華區(qū)銷售經(jīng)理江如祥稱，與標(biāo)準(zhǔn)的斷路器相比（表1），MHP30-36器件提供了良好的消除電弧放電特性，而前者則必須通過限制開關(guān)循環(huán)的數(shù)量來解決，這是由于觸點間產(chǎn)生的電弧放電可能對其造成損壞。該MHP30-36器件還能幫助減少實際應(yīng)用中放電場效應(yīng)管（FET）和相伴的散熱片的數(shù)量，而這通常是通過