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实现最优的电子设计热管理

Sam Holland 2019-05-30

过热是工程师在设计带有印刷电路板和电子元件的产品时面临的最大挑战之一。除了潮湿外,过热是导致设备或部件故障和事故的主要原因,这些故障和事故可能导致人身伤害、电击、爆炸和电火灾。本文将提出一些帮助工程师更有效地管理设备和元器件温度的技术和设备。fi8电子头条

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我们知道每个元件在正常运行下都会产生一定程度的热量。此外,当与其他元件一起使用时,加热速率呈指数增长。例如,在处理高端游戏和视频编辑等高需求的任务时,CPU会大幅升温。现代设备中的过热可能由许多因素引起。我们将重点放在短路和热管理不足上。fi8电子头条

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短路fi8电子头条

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2017年6月,由于Galaxy Note 7手机爆炸,三星的市场份额下降并且公关方面也遇到了麻烦。这个问题非常严重和普遍,以至于三星不得不从全球用户那里召回数千台设备,并出于安全考虑停止生产该系列产品。三星工程师经过调查发现,由于第三方制造商的设计失误,导致电池内部电池端子发生短路,使得电池过热达到危险水平,从而引发手机爆炸。fi8电子头条

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在电子产品中,最常见的短路原因是由于线路故障和/或绝缘不良导致的过流运行和连接器的桥接。在设备运行超过其最大电流额定值时会出现过流运行的现象。它会导致导体过热和熔化,破坏基础电路。绝缘损坏(例如位于运动部件上的导线)和错误接线(例如导线靠的太近)也会导致桥接。当导线之间出现桥接时,由此产生的近零电阻和最大电流会引起欧姆加热,这会损坏敏感元件,引起爆炸。fi8电子头条

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热管理不足fi8电子头条

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在设计开始时没有考虑热管理是导致设备运行过热的主要原因。过热的一个常见原因是通风路径设计不当。阻塞或收缩的路径将导致内部温度迅速上升并缓慢降温。例如,在CPU中产生的热量没有充分消散的情况下,设备将继续变热,性能下降,并且电池将更快地老化。fi8电子头条

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散热计算器工具fi8电子头条

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电子产品设备的有效热管理fi8电子头条

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散热器fi8电子头条

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散热器是金属热调节装置,用于将组件的温度保持在其规定的最高工作温度以下。它适用于智能手机、笔记本电脑和DVD播放器等消费电子产品。由于金属的高导热性,这些消费电子产品被动地消散元件中产生的热量。在笔记本电脑中,散热器与冷却风扇一起工作,通过将热量从处理器和其他“热点”传导出去,将热量分布在其表面区域并将热量传到来自风扇的气流中,从而来调节内部温度。fi8电子头条

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工程师可以通过将散热器连接到特定元件来保持低温,这些元件在器件工作期间会变得非常热,例如晶体管、电阻器、放大器和电容器。对限制尺寸和重量的小型化设备,工程师可以选择占地面积小且重量轻但不降低效率的散热器。在选择散热器时,铝、铜或两者的混合物是一些最好的散热器材料。前者因其重量轻而受到青睐,而后者具有良好的导电性能。All About Circuits的散热计算器是通过计算电子器件的结温来为电子设备选择理想散热器的绝佳工具。fi8电子头条

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热开关   fi8电子头条

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热开关是一种通过在良好的热导体或良好的热绝缘体之间交替来被动地调节各个元件内部温度的器件。在组件和散热器之间的导热路径上集成热开关可以帮助工程师更有效地散热,从而保持较低的机载温度。热开关在功能上类似于恒温器,但在操作上有所不同。恒温器的工作原理是在特定的温度下打开或关闭电路,而热开关则是通过自身的电导来控制温度,而不是仅响应开/关信号。fi8电子头条

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去年,斯坦福大学的一个工程师团队开发了一种实用的纳米级电化学热敏晶体管,这种晶体管的导热系数可以被调制,以将热量从敏感元件中传导出去,使其免受损伤。该器件是一个10纳米厚的导热半导体,浸在锂离子液体中。当小电流通过晶体时,锂离子迁移到晶体层中并通过增加其导电性来关闭热晶体管。连续的开 / 关切换可将热量从敏感元件传导出去,并使其免受损坏。fi8电子头条

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实现最优的电子设计热管理 fi8电子头条

主板(蓝色),带集成散热器。图片由 Bigstock提供。fi8电子头条

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由于电子电路的小型化和复杂性的增加,现代设备比以往更容易过热。设计中优先考虑热管理让组件更有效的冷却的设计措施将显着提高电子设备的安全性和可靠性。fi8电子头条