電子應用中的潛在熱源及各種熱管理方法

電子元器件不喜歡在高溫下運行。任何表現出內部自發熱效應的元器件，都會導致自身和周圍其他元器件的可靠性降低，長期過熱甚至還可能導致印刷電路板（PCB）變形，降低與其他元器件的連接完整性，并影響走線阻抗。通常情況下，容易產生廢熱的元器件包括電源和各種形式的功率放大器［音頻或射頻（RF）］，但現代片上系統（SoC）、電源轉換模塊和高性能微處理器也會產生大量內部熱量。

尋找熱源

熱管理是電子設計的一個重要方面，因為它有助于調節電子元器件的溫度，防止過熱造成損壞。一些電子元器件在日常運行中會產生熱量，如果這些熱量得不到充分散發，就會縮短它們的整體使用壽命，或造成永久性損壞。熱管理的目標就是要讓電子元器件維持在安全工作溫度下，確保其長期可靠性和性能。產生的這些熱量實際上是一種能量損失，表明能源沒有得到充分利用。我們將在后文中了解到散熱可以采用的各種方法，包括使用風扇實現強制風冷和使用散熱器實現對流散熱。

要實施熱管理，就必須了解設計中采用的每個元器件的安全工作溫度范圍。數據手冊中通常會給出溫度下限和上限之間的范圍，這個范圍通常稱為安全工作區（SOA），它定義了元器件能夠可靠運行而不會出現不可預測行為或過早老化的溫度范圍。此外，電路正常工作的環境溫度也是一個重要的考慮因素。

可能產生多余熱量的應用和元器件包括以下幾種：

電源轉換：電源的作用是將電網的交流（AC）電壓轉換為較低的直流（DC）電壓，這個過程中總會產生一些損耗。電源的效率通常因負載條件和轉換器拓撲結構而異。例如，XP Power ASB160 160W AC/DC開關模式電源的最大滿載電源效率為91%至93%。這一規格表明，160W的線路輸入能量中最多有9%的能量（即14.4W）需要耗散。電源中可能的熱源包括開關MOSFET、二極管和電感器。

電機驅動器：大功率工業電機柵極驅動器電路中的MOSFET會產生大量廢熱。半導體或集成模塊的末級通常是主要熱源，需要安裝散熱器和其他散熱元器件。MOSFET或其他功率半導體在傳導過程中的內部串聯電阻可能并不大，但在大電流、高壓應用中，它們產生的熱量仍然會相當可觀。

無源元器件自發熱：許多人都知道電容器、電阻器和電感器等無源元器件會有內部自發熱的問題。也許每個零件損失的能量都不多，但這些零件的使用量往往都很大，因而會成為重要的熱源。

放大：任何基于半導體或模塊的放大電路都會產生一定的熱量，而音頻和射頻放大器是其中最主要的兩種。放大器的效率和輸入功率決定了需要耗散的最大熱量。不同的放大器拓撲結構有不同的效率，因此必須要了解各種用例中可能的峰值功率以及放大器的工作效率。

PCB走線和互連：在峰值負載條件下，PCB走線的阻抗總是有可能產生熱量。PCB走線的寬度和布局應根據最大工作條件進行計算，否則有可能出現局部發熱、變形乃至起火。同樣，電路板互連器件若長期負載過高，也會在連接器端子處產生熱量，導致損壞乃至起火。

除了檢查元器件數據手冊中的安全工作溫度和了解電路參數外，還可以使用熱成像儀（圖1）獲取主要發熱元器件的準確圖像。

圖1：顯示重要熱源的PCB熱紅外圖像（圖源：Teledyne Flir）

熱對元器件可靠性的影響

高溫會對元器件的可靠性產生巨大影響。圖2所示為額定溫度+85°C和+105°C的多層陶瓷電容器（MLCC）的預計壽命可靠性。從中可見，當工作溫度為50°C時，額定溫度+85°C的MLCC使用壽命為40年；如果平均工作溫度升高10°C至60°C，那么它的使用壽命就會縮短至10年。

圖2：溫度對MLCC壽命的影響（圖源：Murata）

對于任何系統，可靠性的量化標準都是平均故障間隔時間（MTBF），它是根據元器件可靠性參數計算出來的。過熱會導致平均工作溫度升高，進而降低元器件的MTBF。

此外，許多半導體元器件和電池都會出現熱失控現象。在這種連鎖反應現象中，電流會因溫度升高而增大，這就形成了惡性循壞，從而導致元器件故障、系統過載和火災。

熱管理技術

散熱有多種方式，包括傳導和對流。傳導是指熱量（熱能）從一個物體傳遞到另一個物體。將熱能從高溫元器件傳導到低溫物體，就可以降低元器件的溫度。傳導是最有效的熱傳遞方法，因為它所需的表面積最小。

對流冷卻利用移動的氣流，將熱量從物體帶到周圍的空氣中。當空氣帶走熱量時，會吸入更多的空氣，從而增加氣流并降低熱源的溫度。氣流可以自然產生，也可以強制產生；例如，使用風扇就可以加快散熱。此外，散熱器可以增加元器件的有效表面積，提高散熱量。

熱阻抗和熱界面材料

熱阻抗衡量的是材料的導熱效率，是熱管理計算中的一個重要參數。例如，導熱墊、凝膠和糊劑等熱界面材料（TIM）可改善功率MOSFET之間的熱傳導。其中一些材料在導熱的同時，還能實現電隔離。Würth Elektronik就可以提供多種這樣的熱界面材料（圖3）。例如，WE-TINS系列是一種薄硅膠墊，可在電子元器件和散熱組件之間實現電絕緣，同時促進熱量傳導；WE-TGFG系列在泡沫芯外包裹了一層合成石墨，是一種導熱性高、不含硅膠的熱擴散替代材料，可用于填充垂直間隙。

圖3：Würth Elektronik提供的部分熱界面材料（圖源：Würth Elektronik）

此外，Panasonic也提供一系列熱管理解決方案，EYG-R石墨墊就是其中的一款，具有安裝簡便、可靠性高和熱阻低的特點，因為其一側表面更加光滑，熱接觸更良好。這些石墨墊具有較高的可壓縮性，能有效填充發熱和散熱器件之間的空隙，從而實現更好的熱傳導。

散熱器

散熱器有豐富多樣的形狀和尺寸。其中，既有專門設計用于特定功率半導體和IC/SoC封裝的產品，也有其他適用于行業標準模塊的產品，比如Advanced Thermal Solutions Inc.的ATS maxiFLOW系列散熱器，就是專為全磚DC/DC轉換器模塊而設計的。

CUI Devices還提供各種適用于半導體封裝和模塊的散熱器。為幫助用戶進行選擇，CUI還提供了散熱器選擇指南。

風扇

風扇可以提供流過PCB和散熱器的強制氣流。CUI Devices提供的此類產品包括變速直流離心式風扇和直流軸流式風扇，兩者均采用omniCOOL軸承系統。

珀爾帖模塊

珀爾帖（Peltier）熱電模塊可以冷卻半導體和其他小型發熱元器件，非常適合用在空間有限的外殼中。珀爾帖熱電效應是指，當電流通過兩種不同的導電材料時，熱能也會在這兩種材料之間流動。該效應由法國物理學家讓?珀爾帖（Jean Peltier）發現，是塞貝克（Seebeck）效應的反效應。這些結構緊湊的模塊通常使用P型和N型半導體顆粒，無需移動部件即可實現從熱源到散熱器的有效熱傳遞。

圖4所示即為熱源和散熱器之間的熱能流動。CUI Devices提供一系列標準型和微型珀爾帖模塊，可適應高達+77°C的溫度梯度。

圖4：使用珀爾帖模塊時，從熱源到散熱器的溫度梯度（圖源：CUI Devices）

（作者：貿澤電子Mark Patrick）