當(dāng)電氣工程師使用“電源管理”這個(gè)詞語(yǔ)時(shí)，大多數(shù)人會(huì)想到通過(guò)轉(zhuǎn)換器、調(diào)節(jié)器以及其他具有功率處理和功率轉(zhuǎn)換功能的器件構(gòu)成的各種直流電源。但是，電源管理還遠(yuǎn)不止這些功能。由于效率低下所有電源都會(huì)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(guān)功能的耗散會(huì)如何影響熱設(shè)計(jì)和熱量累積。此外，即使元件和系統(tǒng)都在規(guī)格范圍內(nèi)持續(xù)工作，但隨著元件參數(shù)漂移，溫度增加將會(huì)引起性能的變化。如果不是徹頭徹尾的失敗，這可能導(dǎo)致最終的系統(tǒng)故障。熱量也會(huì)縮短組件壽命，進(jìn)而縮短平均故障時(shí)間，這也是保證長(zhǎng)期可靠性需要考慮的因素。

有兩個(gè)熱管理的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員必須審查：

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

宏觀情況，由于多個(gè)源的熱量累積而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)溫度過(guò)高。

一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)是要確定多少熱量管理問(wèn)題是由于微觀與宏觀相對(duì)造成的以及這兩者相關(guān)的程度。很顯然，一個(gè)高溫的部件 - 甚至溫度超過(guò)了其允許的極限-將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)升溫，但這并不一定意味著整個(gè)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(yǔ)時(shí)總要牢記在心的一個(gè)問(wèn)題是：熱量要散發(fā)到哪里？ 憤世嫉俗的人可能會(huì)說(shuō)，設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)是找到某個(gè)地方散發(fā)熱量，從而使他或她的問(wèn)題變成別人的問(wèn)題。

雖然這個(gè)觀點(diǎn)確實(shí)有點(diǎn)憤世嫉俗，但確實(shí)是有道理的。挑戰(zhàn)是將熱量傳遞到較冷的地方，以免對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。 這可能是系統(tǒng)和機(jī)箱的相鄰部分，或者可能完全在機(jī)箱外部（只有外部比內(nèi)部溫度低時(shí)才有可能）。 還要記住熱力學(xué)定律之一：除非使用某種主動(dòng)泵送機(jī)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(xué)基本原理來(lái)掌控。在冷卻模式下，熱傳導(dǎo)有三種方式：輻射，傳導(dǎo)和對(duì)流（圖1）：

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

最簡(jiǎn)單的說(shuō)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(yīng)用中，這不是主要的冷卻因素; 在太空真空中就是一個(gè)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(dǎo)是通過(guò)固體或液體的熱量流動(dòng)，而傳熱材料沒(méi)有實(shí)際移動(dòng)（盡管液體確實(shí)流動(dòng)）。

對(duì)流是如空氣或水這樣的流體介質(zhì)攜帶的熱量流動(dòng)。

對(duì)于大多數(shù)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)冷卻所需的是將熱量傳導(dǎo)離開(kāi)直接的熱源，然后將熱量傳遞到其他地方。 設(shè)計(jì)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(jié)合起來(lái)，以有效地實(shí)現(xiàn)所需的傳導(dǎo)和對(duì)流。

有三個(gè)最常用的元件：散熱器，熱管和風(fēng)扇。散熱器和熱管是被動(dòng)的，自供電的冷卻系統(tǒng)，其還包括自然引發(fā)的傳導(dǎo)和對(duì)流方法。相比之下，風(fēng)扇是一種主動(dòng)的，強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)。

從散熱器開(kāi)始

散熱器是鋁或銅結(jié)構(gòu)，可通過(guò)傳導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)流。 它們有數(shù)千種尺寸和形狀，從連接單個(gè)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(duì)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(dòng)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。 （來(lái)源：Aavid Thermalloy）

圖3：來(lái)自Cincom的較大的擠壓式多翅片散熱片（M-C308，M-C091，M-C092）專(zhuān)為大型IC和模塊而設(shè)計(jì)。最小的是60×60×20mm高，最大的是60×110×25mm高。（來(lái)源：Cincom Electronics）

散熱器的優(yōu)點(diǎn)之一是沒(méi)有移動(dòng)部件，沒(méi)有運(yùn)行成本，也沒(méi)有故障模式。一旦適當(dāng)尺寸的散熱器連接到電源上時(shí)，隨著暖空氣的升起，對(duì)流就會(huì)自然而然地發(fā)生，從而開(kāi)始并持續(xù)形成氣流。因此，當(dāng)使用散熱器來(lái)給源的入口到出口之間提供暢通的空氣流動(dòng)時(shí)，這是至關(guān)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(huì)停滯在熱源之上，并使情況進(jìn)一步惡化。

盡管散熱片易于使用，但它的確有一些負(fù)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(qǐng)注意，有許多通用散熱器以及針對(duì)特定集成電路的散熱器，例如特定處理器或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA））。

也存在不是分立元件的散熱器實(shí)例。 有些集成電流使用引腳或?qū)Ь€將熱量從其裸片和主體傳導(dǎo)到它們的PC板上，然后用作散熱片。其他的集成電路實(shí)際上在其封裝下有一個(gè)銅塞; 當(dāng)它被焊接到印刷電路板上時(shí)，金屬塊用作去除裸片熱量流動(dòng)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(méi)有其他的組件也在使用該冷卻板。 實(shí)際上，每臺(tái)設(shè)備都試圖將多余的廢熱排放到鄰近區(qū)域，這是一場(chǎng)零和游戲。

增加熱管

熱管理工具的另一個(gè)重要器件是熱管（圖4）。這種被動(dòng)元件與工程師所希望的“幾乎沒(méi)有任何東西”是接近的，因?yàn)樗恍枰魏涡问降闹鲃?dòng)強(qiáng)制機(jī)制就可以將熱量從點(diǎn)A移動(dòng)到點(diǎn)B。 簡(jiǎn)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(dāng)熱源附件沒(méi)有足夠的空間放置散熱器或氣流不足時(shí)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(hào)120231）的微型熱管尺寸僅為6mm×1.5mm，用于傳輸高達(dá)25W的熱負(fù)荷。 （來(lái)源：Wakefield-Vette）

熱管是如何工作的？ 這簡(jiǎn)單而巧妙：它實(shí)現(xiàn)了相變，這是熱物理學(xué)的一個(gè)基本原理。 熱源將工作流體轉(zhuǎn)變成密封管內(nèi)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(guò)程是連續(xù)運(yùn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)阻礙散熱的問(wèn)題。

添加一個(gè)風(fēng)扇

最后還有一些風(fēng)扇（圖5），它標(biāo)志著背離被動(dòng)，需要自供電的散熱器和熱管，而開(kāi)始研制主動(dòng)地，強(qiáng)制空氣冷卻裝置誕生的第一步。 風(fēng)扇既可以解決問(wèn)題，又會(huì)引起頭痛，所以設(shè)計(jì)師在使用時(shí)會(huì)有不同的情緒。

圖5：臺(tái)達(dá)電子的30mm直徑x 6.5mm深的型號(hào)為ASB0305HP-00CP4的微型風(fēng)扇，采用單個(gè)+ 5V脈寬調(diào)制器（PWM）信號(hào)，能夠提供約0.144m3 / min（5ft.3 / min ）的氣流。 它由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并包含轉(zhuǎn)速計(jì)反饋信號(hào)。 （來(lái)源：臺(tái)達(dá)電子）

很顯然，風(fēng)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(jī)電設(shè)備，風(fēng)扇還容易發(fā)生故障，消耗能量并影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。 但是，在許多情況下，尤其是當(dāng)氣流路徑是彎曲的或者不暢通時(shí)，它們通常是能夠獲得足夠氣流的唯一途徑。 許多應(yīng)用都使用那些只有在需要降低轉(zhuǎn)速的情況下才運(yùn)行的熱控制風(fēng)扇，從而降低功耗，并采用可在最佳運(yùn)行速度下降低噪音的葉片。

定義風(fēng)扇能力的關(guān)鍵參數(shù)是每分鐘空氣的單位長(zhǎng)度或單位體積流量。物理尺寸也是一個(gè)問(wèn)題; 顯然，低轉(zhuǎn)速大風(fēng)扇可以產(chǎn)生與高轉(zhuǎn)速小風(fēng)扇相同的氣流，因此存在尺寸/速度的折衷。 一些設(shè)計(jì)使用內(nèi)部導(dǎo)風(fēng)板來(lái)引導(dǎo)氣流通過(guò)熱區(qū)域和散熱器以獲得最佳性能。

建模及綜合仿真

單獨(dú)使用被動(dòng)冷卻亦或是使用強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)往往是一個(gè)困難的決定。單獨(dú)的被動(dòng)系統(tǒng)較大，但更高效和可靠，而風(fēng)扇可以在不能單獨(dú)使用被動(dòng)冷卻的情況下運(yùn)行。

當(dāng)然，有些情況下單獨(dú)使用被動(dòng)系統(tǒng)是不適當(dāng)或者不切實(shí)際的。其中一個(gè)實(shí)例是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱量的管理問(wèn)題。早期的帶有小型發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)通過(guò)汽缸頂部的翅片作為散熱片。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的變大和熱負(fù)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(dāng)汽車(chē)移動(dòng)時(shí)空氣通過(guò)該散熱器流動(dòng)。這也是一種被動(dòng)系統(tǒng)。 但最終，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)變得更大，被動(dòng)的散熱方法是不夠的，除非車(chē)輛移動(dòng)，否則車(chē)輛將處于過(guò)熱的狀態(tài)。 因此，在散熱器后面增加一個(gè)風(fēng)扇，不管汽車(chē)的速度如何，都會(huì)讓空氣通過(guò)它。

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

對(duì)于微型模型來(lái)說(shuō)，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(zhì)量和尺寸決定。 這顯示了熱量將如何從源流出，也是評(píng)估因自身耗散而導(dǎo)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(shè)備的供應(yīng)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(xì)節(jié)（圖6）。

圖6：安裝的FET機(jī)械模型（左）用于開(kāi)發(fā)等效的熱阻模型（右），用于仿真器件的散熱情況。 （來(lái)源：International Rectifier/Infineon）

請(qǐng)注意，對(duì)于某些組件，其各個(gè)表面的溫度可能不同。 例如，芯片的底面自然會(huì)比封裝頂部的封面更熱一些，所以供應(yīng)商會(huì)設(shè)計(jì)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(fù)載已知，下一步就是宏觀層次建模，這一點(diǎn)既簡(jiǎn)單又復(fù)雜。 作為一階近似，通過(guò)各種熱源的氣流在極限允許范圍內(nèi)可以保持其溫度。使用空氣溫度，非強(qiáng)制氣流可用流量，風(fēng)扇空氣流量和其他因素進(jìn)行基本的計(jì)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(duì)整個(gè)產(chǎn)品及其包裝進(jìn)行更復(fù)雜的建模。 這種類(lèi)型的建?；诹黧w動(dòng)力學(xué)（CFD），可以非常準(zhǔn)確地顯示箱子中每個(gè)位置的溫度（圖7）。

圖7：使用流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析，可以看到整個(gè)系統(tǒng)或電路板上的詳細(xì)熱分布情況，如由具有三個(gè)主要熱源（紅色）和熱量可以左右流動(dòng)的擴(kuò)展板的PC板.（來(lái)源：德州儀器）

通過(guò)做出“假設(shè)”調(diào)整，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)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(shí)別使用更大或不同散熱器的差異，調(diào)查熱管對(duì)于熱點(diǎn)移動(dòng)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(fēng)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(yīng)該解決另外兩個(gè)因素。首先，存在峰值與平均耗散的問(wèn)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(guān)的熱質(zhì)量和熱流量也會(huì)導(dǎo)致不同的熱分布。 大多數(shù)CFD應(yīng)用程序可以將靜態(tài)與動(dòng)態(tài)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析。

其次，組件級(jí)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(gè)連接有微小的差距，那么這條路徑的熱阻會(huì)相對(duì)較高。 出于這個(gè)原因，在這些表面之間通常使用薄的導(dǎo)熱墊來(lái)增強(qiáng)路徑的導(dǎo)熱性（圖8）。

圖8：通常由于微觀空隙，用戶(hù)可以插入導(dǎo)熱但電絕緣的焊盤(pán)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。（來(lái)源：Bergquist公司）

結(jié)論

熱管理是電源管理的一個(gè)重要方面，它需要將組件和系統(tǒng)保持在溫度限制范圍內(nèi)。 被動(dòng)的方案從散熱器和熱管開(kāi)始，并可能通過(guò)使用風(fēng)扇進(jìn)行主動(dòng)冷卻而使冷卻效果得到增強(qiáng)。 在組件級(jí)和成品級(jí)的系統(tǒng)模型中允許設(shè)計(jì)人員對(duì)冷卻策略進(jìn)行一階近似分析。使用流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)一步分析可以全面了解整個(gè)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(quán)衡，并且必須對(duì)項(xiàng)目的優(yōu)先級(jí)和約束條件進(jìn)行評(píng)估。