由于不可避免的内部损耗和效率低下,所有的电子设备都会产生热量。设备的效率等级越高,设备内部产生的内热就越少。如果我们能达到100%的效率,而且技术也越来越接近这个难以捉摸的目标,那么设备内部就不会产生热量,因此也就不需要冷却了。在此之前,所产生的热量必须被驱散,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)交直流开关电源的照片。请注意黑色的散热器,其中一些有鳍片,而其他是垂直安装的黑色金属片,这也作为散热器到大功率设备中使用的电源电路。该型号(ZWD-PAF)能够提供高达225瓦的输出功率,环境空气温度范围从-10°C到+50°C。

有三种主要的技术从电力和其他电子设备转移或散发热量:这些是传导,对流和辐射。在所有情况下,热量都从热的电子器件转移到另一个温度较低的介质。所有的冷却技术在其冷却过程中都包含传导冷却、对流冷却和辐射冷却。热不断地从热源向物体移动,或通过较冷的介质。

传导冷却:这被定义为通过直接接触将热量从一个热的部分转移到另一个冷的部分。例如,许多DC-DC转换器有一个平坦的表面(底板),被设计成直接安装在外部散热器或冷板上,通过直接接触将热量从电源设备传导出去,从而冷却它。大多数电源使用内部散热器,通过导热浆糊或衬垫与电源设备接触,以传导热量。反过来,散热器依靠对流冷却,将传导的热量转移到周围较冷的空气中。

对流冷却:这涉及到通过自然空气流动(空气实际上是一种低密度流体)包围和接触设备的行动,从动力设备的热量转移。许多功率设备额定为自然对流冷却,只要机组周围的空气保持在一个比设备更冷的有限温度范围内。对流冷却的优点是不需要风扇(图1)。风扇由于其机械部件,往往会降低电源的平均故障间隔时间(MTBF)额定。当产品有自然循环空气源时,对流冷却效果最好。对于封闭应用,为了确保空气的自然交换,应该在外壳或外壳的不同位置提供一些通风口。

图2。典型的电源模块通过散热片散热示意图。如图所示,有许多热阻阻碍来自半导体和电源模块内部的其他设备的热量的自由流动。降低这些热阻的技术包括使用热化合物(润滑脂或衬垫),最大限度地扩大散热器的表面积以适应应用,并在必要时添加强制空气冷却。

许多产生热量的电子设备,包括DC-DC转换器、微处理器、混合电路等,都需要使用散热器来促进对流冷却,并帮助将热量从设备转移到较冷的空气中。散热器利用传导冷却(即设备必须与散热器保持良好的热接触)和对流冷却。散热器设计用于将设备的热量传递到周围的空气中,主要是通过大幅增加与空气接触的表面积。由于电子设备和散热器的表面并不完美,需要某种类型的导热界面材料来填补微小的空隙。虽然这种材料必须是导热的,在某些情况下,它也需要是电绝缘体;例如,一个薄的硅衬垫。在大多数其他应用中,一层薄薄的导热硅脂可以用作界面材料。

另一种类型的对流冷却需要强制空气流动,通过风扇引导空气穿过动力设备,无论是否有散热器。许多电源都带有内置风扇,以提供这种强制空气类型的对流冷却。其他类型的功率设备规定必须通过或围绕设备的空气流量,单位为立方英尺/分钟(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:Peltier冷却器,也被称为热电冷却器(TEC),是一种固态设备,功能类似于热泵。TECs需要外部直流电源进行操作。需要冷却的动力装置安装在TEC的一侧,并使用适当的热脂或热垫。当电压被施加到TEC上时,热量从电源设备上被抽离,并被抽到另一端,另一端有散热器,有时还有风扇来散热。热电冷却器是有效的,但效率低,比散热器和/或风扇更昂贵。然而,它们被用于冷却激光二极管、超快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。

热阻阻碍热传递

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已受到保护,不受垃圾邮件机器人的攻击。您需要启用JavaScript来查看它。,或点击这里


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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