【正文】 流體力學(xué)跟熱傳學(xué)的世界裡，經(jīng)驗(yàn)常常是會(huì)出差錯(cuò)的，因?yàn)樗麄冎荒芸吹奖砻?，卻看不到其中所內(nèi)涵的道理。首先，拿到一顆鰭片，我們必須先考慮流體在鰭片內(nèi)部好不好流動(dòng) ? 光這一點(diǎn)就可以幾乎剔除了現(xiàn)階段市面上可以看到的所有鰭片了。因?yàn)閿?shù)學(xué)模式並不簡單，所以筆者並不想詳細(xì)介紹。 還有一個(gè)問題就是風(fēng)速是否能毫無限制的增加 ? 假如風(fēng)扇不變大，單純使用軸流風(fēng)扇的情況下，筆者可以說這是不可能的。此外，改變氣體密度，渠道 [假設(shè) CPU 散熱裝置為一矩形渠道 ]寬度也能得到一樣的結(jié)果。理論上如此，實(shí)際上也如此 [考慮直接吹入晶片的進(jìn)氣方式，不考慮其他 方式，因?yàn)槠渌绞讲灰欢〞?huì)有比較好的結(jié)果，這還得考慮迴流區(qū)對(duì)於鰭片的影響 ] 。為什 麼要在鰭片底部加一薄銅片 ?原因很簡單，因?yàn)殂~的熱傳導(dǎo)係數(shù)比鋁高，所以可以更均勻的將能量傳送到鋁鰭片的四周外圍鰭片。熱阻跟壓力也成逆相關(guān)。有興趣的人可以做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，拿一塊鐵塊，高度 1 公尺，然後在鐵塊周圍用乾毛巾包起來，然後上層再用一散熱鰭片來作散熱。 但是事實(shí)不會(huì)出現(xiàn)這樣的狀況，因?yàn)槲?/散熱快慢跟熱傳導(dǎo)係數(shù)、熱對(duì)流係數(shù)及溫度梯度有關(guān)聯(lián)，吸 /散熱快慢是不斷在變化的，沒有一個(gè)系統(tǒng)會(huì)有吸熱快散熱慢的特性，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng) A 原本處於向系統(tǒng) B 吸取熱快，將熱散到系統(tǒng) C 慢的情況下，系統(tǒng) A 溫度會(huì)不斷的上升，如此 A 與 B 間溫度梯度變小，吸熱就會(huì)變慢， A 與 C 間溫度梯度則變大，散熱就會(huì)變快，因此系統(tǒng) A 會(huì)由吸熱快散熱慢的狀態(tài)逐漸變成吸 /散熱速度相等的狀態(tài)，一直到穩(wěn)態(tài)時(shí) 就會(huì)變成吸散熱速度相等，系統(tǒng) A 的溫度不會(huì)變化。在一般電腦的散熱裝置裡，熱傳導(dǎo)的重要性並不亞於熱對(duì)流，因?yàn)檫@是能否將晶片產(chǎn)生的能量傳送到鰭片的重要因素，但是想要 降低溫度，熱對(duì)流就佔(zhàn)有很大的影響要素。而熱傳遞的方式有三種：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中以熱傳導(dǎo) 為最快。泡核沸騰的主要特點(diǎn)是汽泡 在加熱面上形成和發(fā)展，并脫離表面而作上升運(yùn)動(dòng)。例如管內(nèi)流動(dòng)傳 熱用內(nèi)徑，管外對(duì)流傳熱用外徑，套管間隙內(nèi)的傳熱用當(dāng)量直徑等。特征 數(shù)關(guān)聯(lián)式是嚴(yán)格應(yīng)用在一定范圍內(nèi)的公式，決不應(yīng)隨意推廣。 4． 流體的物理性質(zhì) 對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響圈套的流體物性有流體的密度粘度熱導(dǎo)率和比熱容等。 第四節(jié) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式 用牛頓冷卻定律處理復(fù)雜的對(duì)流傳熱，實(shí)質(zhì)上是把一切復(fù)雜的影響因素均集中于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 2． 增加平均溫差 平均溫差愈大，自然熱流量愈大。 由此可見，除個(gè)別特殊情況外，應(yīng)選擇逆流操作較為有利。 當(dāng)液體發(fā)生相變時(shí)，則其溫度保持不變。在這過程中，不論是熱流體，還是冷流體或固體壁面，各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，故屬于 穩(wěn)定傳熱過程。 另一方面，從式（ 31）可知，如杲工藝上所要求的傳熱量 Q 己知，則可在確定K及 △tm 的基礎(chǔ)上算傳熱面積 S，進(jìn)而確定換熱器的各部分尺寸，完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱體的用量。這些參數(shù)是熱阻、 RDS(on) 隨溫度的變化，等等。 5. 模擬仿真結(jié)果及測量結(jié)果 在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)為不同類型的情況下進(jìn)行了模擬仿真。參看模型 G2，現(xiàn)們來計(jì)算 M1 的瞬時(shí)功率損耗： Pd(t)=VDSG1(t) ?IDG1(t) () 其中 IDG1(t)=IdM1(t) ?f(VGS,VDS,Tj,Vth,) () 在式 ()中， Pd(t) 是 “ELAPLACE”的輸入量。 為了做到這點(diǎn)，把 MOSFET M1表示成為一個(gè)普通的 Level3 MOS模型 加上一個(gè)電路。考慮到熱阻與時(shí)間兩者之間的關(guān)系，我們可以得到下面的公式： Zth(t)= Rth?[1exp(t/? )] () 其中 (是所討論器件的半導(dǎo)體結(jié)至外殼之間的散熱時(shí)間常數(shù)，我們也認(rèn)為 Pd 是在脈沖出現(xiàn)期間的散發(fā)出去 的功率。結(jié)果是，安全的裕度可能離開最優(yōu)值很遠(yuǎn)。 電郵： Email: 摘要 : 功率轉(zhuǎn)換器的功率密度越來越高，發(fā)熱問題越來越嚴(yán)重，這種功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)代大功率半導(dǎo)體技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。 對(duì)于溫度較高的地方須將模塊降額使用以減小模 塊的功耗，從而減小漸升，保證外殼不超過極限值。 如果只考慮散熱功率芯片的輸入輸出電壓差 X電流是芯片的功耗，這就是散熱片的散熱功率。 正確的設(shè)計(jì)方法是： 首先確定最高的環(huán)境溫度，比如 60℃ ，查出民品 7805 的最高結(jié)溫TJMAX=125℃ ，那么允許的溫升是 65℃ 。熱阻越小，散熱器的散熱能力越強(qiáng)。傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞，對(duì)流是借助流體的流動(dòng)傳遞熱量，而輻射無需借助任何媒介，是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量。固體表面形狀的影響而改變的 常數(shù) 值 (例如 :垂直方向的平板流 H=10~20,最多是個(gè) H與速度的幾次方成正比關(guān)系 ),從沒看過哪一個(gè)方程式是可以解出 H值的 .(道道地地 ,不折不扣的 經(jīng)驗(yàn)值 !!) A 代表熱對(duì)流發(fā)生時(shí)的 有效 接觸面積 .這里我要再一次強(qiáng)調(diào) .表面積大只是好看 ,有效表面積也大那才夠?qū)嵲?.至于什么是 有效 ,將來我會(huì)舉一些活生生的實(shí)例給各位看 ,到時(shí)候可別合不攏嘴 .散熱片的變化無窮 ,主要在于它的鰭片設(shè)計(jì) ,一個(gè)設(shè)計(jì)良好的鰭片 .會(huì)內(nèi)外兼顧 ,不但跟空氣的接觸表面積大 ,而且大 的很實(shí)在 .否則花那種冤望錢 ,不如自己做一塊銅塊蓋上去不就好了嗎 ?當(dāng)然金屬量產(chǎn)的加工制程上有一定的限制 ,不同的制造工藝各有其優(yōu)缺點(diǎn) ,有時(shí)設(shè)計(jì)者不得不作一些妥協(xié)與讓步 . Δ T 代表固體表面與區(qū)域流體 (Local Ambient)的溫度差 .這里就更驚險(xiǎn)了 .散熱片的設(shè)計(jì) ,一個(gè)不小心就會(huì)跌入這個(gè)要命的陷阱里 ,它跟上面的所謂 有效 接觸面積還真有那么一點(diǎn)關(guān)系 ,我留一點(diǎn)兒空間先不說穿 ,讓各位也想一想 . 為什么我說到了這兒才算真正開始處理散熱問題 .因?yàn)椴徽撟匀粚?duì)流或強(qiáng)制對(duì)流 ,靠流體把熱帶走是現(xiàn)下最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式 .殊不知地 球大氣運(yùn)行時(shí)的妙用無窮 ,我們換一個(gè)角度想 ,能量守恒定律 ,或許您也能參詳一二 .周圍盡是用不完的空氣 ,不拿它來出出氣 ,怎么說也 是暴斂天物 ,您說是嗎 ? 下一次我們?cè)僬劻硪粋€(gè)能量傳遞的方式 (它也是 散熱 的一員 ,只是平時(shí)韜光養(yǎng)晦 ,深藏不露 ,但發(fā)起威來 ,套句廣告詞 ~凡人無法檔 ).而且角色變化多端 ,非常有個(gè)性 ,也是筆者最喜歡的一個(gè) ,請(qǐng)容我在此先擱筆 .咱們下次再談 !散熱 ,吸熱 ,還是絕熱重要 ? 接下來介紹的 ,可又是散熱的一名角兒 .只是它的名氣沒 熱對(duì)流 來的大 ,一般說來在主動(dòng)式散熱片 (Active Cooler)的散熱比例上占的份量也有限 ,所以大伙兒常忽略它 .可是它在實(shí)際生活中扮演的角色可豐富了 .您加熱時(shí)絕對(duì)有它 ,散熱時(shí)它也有份 ,當(dāng)要絕熱時(shí) ,更不能沒有它 ,更夸張的是 ,少了它 ,地球的生態(tài)環(huán)境瞬間就會(huì)失衡 ,看下去吧 ,向您鄭重介紹 ?? 3.)熱輻射 (Radiation) 若說上一招 熱對(duì)流 是謂博大精深 ,那這一招可就真算得上是 清風(fēng)拂山崗 。請(qǐng)記住 ,它代表材料的熱傳導(dǎo)特性 ,就像是出生證明一樣 .若 是純銅 ,就是 。若是純鋁 ,就是 240。明月照大江 的太極絕學(xué)了 .待我解釋完 ,您就知道我開頭所述句句真言 ,絕無誑語 .別看它又清風(fēng) ,又明月的 .真發(fā)起來 ,那可是招招重手 ,決不留情 .(您以為炎炎夏日太陽的熱情是靠熱傳導(dǎo)或 熱對(duì)流招呼到您身上的嗎 ?再舉個(gè)更生活的例子 ,沒用過也看過燈管式電暖氣吧 ?再告訴您一個(gè)小秘密 ,筆者求學(xué)時(shí)就曾經(jīng)利用180 瓦的工地用鹵素大燈兩個(gè)煮三人份的火鍋 ,不蓋你 ,這些都得拜熱輻射所賜 !)這說完它加熱的好處 ,我留一點(diǎn)篇幅稍后 再解釋它與散熱 ,絕熱的關(guān)系 .讓我們先把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)回它的原理上 . 有人曾問筆者 ,熱輻射是不是放射性的 a,b,g 輻射波 ,您說呢 ?那可是對(duì)任何生物都會(huì)造成傷害性的輻射線耶 !不要懷疑 ,雖不中亦不遠(yuǎn)矣 ,它們還真有血源關(guān)系呢 ,這一部份因?yàn)槭枪P者最喜歡的一種散熱方式 ,也是當(dāng)今能參透這門絕學(xué)的人少之 又少 (包括筆者也不是 ),是以筆者不得不一吐為快 ,交代清楚 ,以免讓各位越看越模糊 ,熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì) (空氣 )的情況下 ,不需要靠接觸 ,就能夠達(dá)成熱交換的傳遞方式 .一種我戲稱為 熱數(shù)字訊號(hào) (Thermal Digital Signal)的波的形式達(dá)成熱交換 .既然是波 ,那就會(huì)有波長 ,有頻率 ,而所謂波的能量 ,就是頻率乘上一個(gè)叫做普郎特的常數(shù) (Planck39。 在實(shí)際應(yīng)用中，散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時(shí)使用。下面舉一個(gè)電路設(shè)計(jì)中熱阻的計(jì)算的例子來說明： 設(shè)計(jì)要求： 芯片功耗： 20 瓦 芯片表面不能超過的最高溫度： 85℃ 環(huán)境溫度（最高）： 55℃ 計(jì)算所需散熱器的熱阻。要求的熱阻是 65℃/=26℃/W 。 散熱 3 熱設(shè)計(jì) 由于電 源模塊的轉(zhuǎn)換效率不可能是 100%，因此自身有一定的功耗，電源模塊本身發(fā)熱的高低，主要取決于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率。 對(duì)于功率較大的模塊，須加相應(yīng)的散熱器以使模塊的溫升得到下降。因而熱問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證變得比大功率器件的電模型更加重要，本文提出一種新的 Pspice 模型，可以利用它計(jì)算 MOSFET 芯片在瞬變過程中的溫度?，F(xiàn)在出現(xiàn)了很多功能很強(qiáng)的模擬仿真工具，因此有可能在預(yù)測功率損耗和熱設(shè)計(jì)的校核方面做一些 改進(jìn)。那麼，我們可以得到： ?T(t)=Pd? Zth(t) () 如果 Pd 不是常數(shù)，那麼溫度的瞬態(tài)平均值可以近似地用下式表示： ?T(t)=Pavg(t) ? Zth(t) () 其中 Pavg(t) 是散發(fā)出去的平均功率。 晶體管 M1 僅僅是 “感知 ”溫度，溫度是指通用的 SPICE變量 “Temp”。 ELAPLACE 起積分的作用，於是得到消耗的能量 E(t)；由此可以得到平均功率損耗如下 Pave(tk)= E(tk)/tk () Pave(tk) 當(dāng)然是與時(shí)間有關(guān)的，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù) 是隨著模擬仿真的進(jìn)行而改變的。下面圖中的曲線是模擬仿真的結(jié)果。 這個(gè)模型也可以用於其它的半導(dǎo)體器件，包括雙極型晶體管。 （ 2） 傳熱速率式 換熱器在單位時(shí)間內(nèi)所能交換的熱量稱為傳熱速率，以 Q表示，其單位［ W］。 本章主要介紹應(yīng)用這兩個(gè)基本關(guān)系解決上述四個(gè)問題。我們主要討論穩(wěn)定過程。當(dāng)兩側(cè)均為變溫時(shí)，兩流體又有順流和逆流之分。至于順流操作，它主要用于加熱時(shí)必 須避免溫度高于某一限定溫度，或冷卻時(shí)必須避免溫度低于某一限度的場合。理論上可采取提高加熱介質(zhì)溫度或降低冷卻介質(zhì)溫度的辦法， 但往往受客觀條件和工藝條件的限制。 因此，對(duì)對(duì)流傳熱珠形容便轉(zhuǎn)化為對(duì)各種具體情況的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的研究。流體的物理性質(zhì)不同 ，流體和壁面間的對(duì)流傳熱也不同。 定性溫度。 二流體無相變時(shí)的對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式 （一） 流體在管內(nèi)強(qiáng) 制 （二） 流體在管外強(qiáng)制對(duì)流 （三） 自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 三流體有相變時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式 沸騰和冷凝時(shí)的傳熱發(fā)生有相變的傳熱。因此，凡是影響汽泡生成強(qiáng)度的因素，均能 影響沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 3． 液體沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 理想中的散熱 這是各材料間熱傳導(dǎo)能力的比較圖表 設(shè)計(jì)散熱器的基本概念，可以精簡成一個(gè)數(shù)學(xué)方程式，它代表了排除外界因素后，兩個(gè)導(dǎo)體間的熱能對(duì)流： Iw = ??x (T1T2) x (I/