由于其不可避免的内部损失和低效率,所有电子设备都会产生热量。器件的效率额定值越高,内部热量越少。如果我们可以达到100%的效率,并且技术越来越靠近该难以使用的目标,那么设备内不会产生热量,因此,不需要冷却。在此之前,必须耗散产生的热量以最大限度地提高最终产品的可靠性并防止其过早失效。

图1:对流冷却(无风扇)AC-DC SwitchMode电源的照片。注意黑色散热器,其中一些具有翅片,而其他物体是垂直安装的黑钣金,其也用作电源电路中使用的高功率器件的散热器。该型号(ZWD-PAF)能够提供高达225瓦的输出功率,环境空气温度范围为-10°C至+ 50°C。

从电源和其他电子设备转移或散热的主要技术是传输或散热:这些是传导,对流和辐射。在所有情况下,热量从热电子器件转移到处于较低温度的介质。所有冷却技术都包括在其过程中导通,对流和辐射冷却的一些组件。热量不断地寻求从其源到物体的源,或通过冷却器的介质。

传导冷却:这被定义为通过直接接触将热量从一个热部分转移到另一个冷却器部分。例如,许多DC-DC转换器具有平坦表面(底板),该平坦表面(底板)设计成直接安装到外部散热器或冷板,该外部散热器或冷板将通过直接接触地传导热量,从而冷却它。大多数电源使用内部散热器,通过导热浆料或焊盘与功率器件接触,以传动热量。反过来,散热器依赖于对流冷却以将它们的传导热传递到围绕空气的冷却器。

对流冷却:这涉及通过自然空气流动(空气实际上是低密度流体)周围和接触该装置的动作来传递来自动力装置的热量。只要单位围绕单元的空气保持在比器件冷却的有限温度范围内,许多功率器件被额回应自然对流冷却。对流冷却的优点是不需要风扇(图1)。由于其机械部件,风扇倾向于降低电源的平均故障(MTBF)额定值。当产品具有天然循环空气源时,对流冷却最佳工作。对于封闭的应用,为了确保自然的空气交换,应在案例或外壳的各个位置提供许多通风口。

图2.附加散热器冷却的典型功率模块的图。如图所示,存在许多热阻,其妨碍来自半导体和电力模块内部的其他装置的热量的自由流动。用于减小这些热电阻的技术包括使用热化合物(润滑脂或垫),最大化散热器的表面积以适应应用,并且如有必要,增加强制空气冷却。

许多发热电子设备,包括DC-DC转换器,微处理器,混合电路等,需要使用散热器来促进对流冷却,并帮助将热量从装置转移到冷却空气中。散热器利用传导冷却(即,器件必须与散热器产生良好的热接触)和对流冷却。散热器设计用于将来自装置的热量转移到环境空气,主要通过基本上增加与空气接触的表面积。因为电子设备的表面和散热器不完美,所以某种类型的导热界面材料是填充微小的空隙所必需的。虽然这种材料必须是导热的,但在某些情况下,它也需要是电绝缘体;例如,薄硅垫。在大多数其他应用中,可以使用薄的热润滑脂层作为界面材料。

另一种类型的对流冷却需要强制空气流,通过风扇直接穿过动力装置的空气,有或没有散热。许多电源配有内置风扇,以提供这种强制空气类型的对流冷却。其他类型的功率器件指定了必须通过或围绕单元的空气流量,以立方或线性脚(CFM或LFM),以便设备提供其最大额定输出功率。

辐射冷却:这是通过从热对象(例如,功率装置)流到冷却器物体的电磁辐射(能量波)来传递热量。真正的辐射传热可以在真空中进行,不需要空气。例如,我们的太阳不仅发出光波,而且,还通过空间的大距离发出红外线,这导致我们的地球具有日光和各种温暖。

其他冷却技术

热电冷却器:珀耳帖冷却器,也称为热电冷却器(TEC),是固态装置,其功能与热泵相似。TECS需要外部直流电源来操作它们。要冷却的电力装置用适当的热润滑脂或热垫安装在TEC的一侧上。当将电压施加到TEC时,热量从动力装置拉开并泵送到具有散热器的相对侧,有时是风扇以消散热量。热电冷却器是有效的,但具有低效率并且比散热器和/或风扇更昂贵。但是,它们用于冷却激光二极管,超快速微处理器和实验室仪器。

液体冷却冷板:在采用多个电子功率器件的一些应用中或在限制区域中存在浓缩热负荷的应用,可能需要考虑使用液体冷却的冷板。据称,这些通常由铝或铜板组成,在该铝或铜板上安装有液体冷却剂的平行管道或蛇形管,然后将液体冷却剂泵送,然后将其布置在液体冷却的外部热交换器上;然后将其通过泵再循环在连续的闭环中。这种类型的冷却非常有效,也是最昂贵的使用技术之一。尽管如此,液体冷却的冷板在许多军事,航空航天,RF放大器,医疗,工业和电信应用中广泛使用。

热阻阻碍热传输

目前所采用的大多数冷却技术用于功率,半导体和微处理器装置,其中许多是每天引入的。这些活动设备中的每一个被指定为安全地在不得超过的一定温度范围内运行。最大工作温度通常是基于在低于其最大值的内半导体的内部结温度。由于不能直接测量内部结温,因此指定了MOSFET,DC-DC转换器,电源砖等的器件,只要其金属盒,安装标签或底板温度保持在指定的最大值以下,就可以安全地操作。为此,必须考虑并考虑热阻网络。热电阻类似于电子电阻。它们代表各个材料层之间的机械界面,其妨碍从一个水平到下一个水平的热量。从内部半导体结开始的这些系列连接的热电阻和与环境空气的结束式的图示出了图2。

当前和未来的趋势

持续的趋势是提供最小的封装中的许多特征和优势。这一趋势提出了对产品开发和包装工程师的需求和挑战。具有更大的功率密度来实现有必要找到从最终产品中消散不需要的热量的改进技术,以确保其长寿命和可靠性。现在有许多“绿色”举措和政策,要求对电子产品效率的巨大改善。毫无疑问,这些改进的产品效率将减少现在浪费的热量和能量。然而,由于实现100%的效率类似于开发永久运动机,因此在可预见的未来,仍然需要设计人员来跟上冷却功率和其他电子设备的最新技术。

本文是由Mel Berman,产品营销经理,Lambda Americas,Inc。(San Diego,CA)编写的。有关更多信息,请联系Berman先生此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。, 或者点击这里


嵌入式技术杂志

本文首先出现在2008年5月期问题嵌入式技术杂志。

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