【正文】 而塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部份超過 以上 ,s是波次曼常數(shù)*108 ,只是一個(gè)常數(shù) . F是里面最玄的一個(gè) ,洋文叫做 Exchange View Factor,中文應(yīng)該說成是輻射熱交換的視角關(guān)系 ,它其實(shí)是一個(gè)函數(shù) ,一個(gè)跟兩個(gè)表面所呈角度 ,面積 ,及熱輻射系數(shù)有關(guān)的函數(shù) .非常復(fù)雜 ,筆者在此不敢再寫下去 ,以免各位看官承受不住 . Δ (T4)最后這個(gè)算是最好說的 ,但也最 容易被一般剛?cè)虢哪贻p人弄錯(cuò)的 .它正確的寫法如筆者框紅線所示 ,是 (Ta4 Tb4)而不是 (Ta Tb) 4,.這其中 Ta 是表面 a 的溫度而 Tb是表面 b的溫度。有的是以散熱為主 ),但若程度差太遠(yuǎn) ,那就很可惜了 ,筆者見到坊間不少不忍目睹的散熱器 ,想想 ,鋁條若有知 ,也一定會暗自掉淚吧 ! (4) 散熱片 (底板部份 ):熱傳導(dǎo)組件 ,這兒是純粹就吸熱而言 ,決定底板的好壞 ,先要知道問題的癥結(jié)在那兒 ,吸熱的致命關(guān)鍵就在克服 與熱源的接觸熱阻(Contact Resistance)及熱傳到底板之后的擴(kuò)散熱阻 (Spreading Resistance),所以 ,底板的設(shè)計(jì)可也是絲毫茍且不得的 .殊不知所有的源頭就在于熱如何被有效的帶出來 ,連源頭都處理不好 ,更別談接下來的散熱了 .看官們可以參照產(chǎn)品評估報(bào)告 ,互相比較 ,便知其中奧妙 .更可以加深您的印象 ,讓您向?qū)＜抑吩龠~進(jìn)一大步 . (5) 熱導(dǎo)介質(zhì) :也是熱傳導(dǎo)組件 ,坊間有不少導(dǎo)熱膠片或?qū)岣喈a(chǎn)品 ,姑且不論其好壞 ,它的功用就在于克服金屬接觸面 的微小縫隙 ,別小看它薄薄的一片 ,您若不怕 CPU 冒煙的話 ,下次換一般黏土玩玩看 ,保證有趣的要命 ,(筆者曾測試過 ,那種坐云霄飛車的快感 ,保證讓您難忘又難過好一陣子 ),至于導(dǎo)熱膠片好還是導(dǎo)熱膏好 ,并沒有一定 ,但效果好是最重要的 ,將來筆者會針對一系列不同材料評估比較給您知道 . (6) CPU:熱源 ,這邊若細(xì)談會牽涉到封裝制程 ,要說好一陣子 (包括所有的封裝演進(jìn)史與發(fā)展過程 ),筆者再選適當(dāng)時(shí)間敘述 . (7) (8) Socket 與主板 ,這兒筆者之所以要把這兩項(xiàng)放在一起談 ,就是因?yàn)樯岬目剂?,其實(shí) ,熱源所釋放的熱 ,有 10%以上是往下經(jīng)由 Socket 從主板被帶走的 ,告訴您一個(gè)重點(diǎn) ,主板是一塊非常大的散熱板 ,筆者見過不少系統(tǒng)都有直接 (或間接 )針對主板強(qiáng)大的散熱能 力上作文章的 .這其中不止 PC 產(chǎn)品而已 ,包括液晶投影機(jī) ,電源供應(yīng)器 (不斷電系統(tǒng) ),網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機(jī) ?. 都曾對主板這帖不可多得的散熱藥材下過一翻工夫 . 說到這兒 ,必須對這次的主題下一個(gè)結(jié)語了 ,單刀直入 ,散熱還是您我最關(guān)心的重點(diǎn) ,但在還沒散到熱之前 ,必須解決的是吸熱的問題 ,至于絕熱呢 ,還不到時(shí)候 ,多想無益 .往后 ,筆者會針對吸熱與散熱的重點(diǎn) (當(dāng)然是深入淺出 ,而且包容萬象 )一 五一十?dāng)⑹?,讓大家從此踏入這個(gè)領(lǐng)域 ,一窺這百家爭鳴的熱鬧與璀璨 .坐穩(wěn)了 .引擎一旦激活 ,您就只能睜大眼 ,張大嘴 ,豎起耳多跟著我這個(gè)導(dǎo)游一起體會這無限的熱疆界 資料 1 散熱 在普通的數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，我們很少考慮到集成電路的散熱，因?yàn)榈退傩酒墓囊话愫苄?，在正常的自然散熱條件下，芯片的溫升不會太大。當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時(shí)，就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣砑涌煨酒砻鏌岬尼尫?，使芯片工作在正常溫度范圍之內(nèi)。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。散熱器通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器，散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體，它的充分?jǐn)U展的表面使熱的輻射大大增加，同時(shí)流通的空氣也能帶走更大的熱能。與電路計(jì)算中最基本的歐姆定律類似，散熱的計(jì)算有一個(gè)最基本的公式： 溫差 = 熱阻 功耗 在使用散熱器的情況下，散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的 阻力 稱為熱阻，散熱器與空氣之間 熱流 的大小用芯片的功耗來代表，這樣熱流由散熱器流向空氣時(shí)由于熱阻的存在，在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產(chǎn)生電壓降一樣。熱阻的 單位為 ℃ /W。熱阻越小，散熱器的散熱能力越強(qiáng)。 實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取 01℃ /W作為近似。 使用風(fēng)扇能帶走散熱器表面大量的熱量，降低散熱器與空氣的溫差，使散熱器與空氣之間的熱阻減小。如下例： 風(fēng)速（英尺 /秒） 熱阻（ ℃ /W） 0 100 200 300 400 散熱 2 我用 7805 7810 如何計(jì)算散熱片尺寸？ 以 7805 為例說明問題。 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℃ 。再查 7805 的熱阻， TO220 封裝的熱阻 θJA=54℃/W ， TO3封裝（也就是大家說的“ 鐵殼 ” ）的熱阻 θJA=39℃/W ，均高于要求值，都不能使 用（雖然達(dá)不到熱保護(hù)點(diǎn)，但是超指標(biāo)使用還是不對的）。 計(jì)算散熱片應(yīng)該具有的熱阻也很簡單，與電阻的并聯(lián)一樣，即 54//x=26，x=50℃/W 。 國產(chǎn)散熱器廠家其實(shí)就是把鋁型材做出來，然后把表面弄黑。 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。在一定外殼散熱條件下，電源模塊存在一定的溫升 (即殼溫與環(huán)境溫度的差異 )。對于溫升的粗略估計(jì)可以使用這樣的公式：溫升 =熱阻系數(shù) ′模塊功耗。C/W 。 對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。不同的散熱器在自然的條件下有不同的對環(huán)境的熱阻，主要影響散熱器熱阻的因素是散熱器的表面積。C/W, 不考慮原外殼的橫向散熱 ,自然散熱的溫升為′22=42176。 散熱 3 包含熱模型的新型 MOSFET PSPICE 模型 作者： Filippo Di Giovanni, Gaetano Bazzano, Antonio Grimaldi 意法半導(dǎo)體公司 Stradale Primosole, 50 95121 Catania, ITALY 電話： +390957406447。 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)對現(xiàn)代大功率半導(dǎo)體技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。本文提出的模型中所需要的熱阻可以從制造商提供的產(chǎn)品使用說明書得到。這里提出的模型建立了與許可的熱環(huán)境 的關(guān)系，例如，柵極驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)載、以及散熱器的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。由於決定功率損耗的參數(shù)參差不齊，與生產(chǎn)制造有關(guān)，受生產(chǎn)制造的影響很大，因而散熱器的設(shè)計(jì)往往由於無法預(yù)先知道功率損耗而無法進(jìn)行。結(jié)果是，安全的裕度可能離開最優(yōu)值很遠(yuǎn)。然而，為了確保長期可靠性，運(yùn)用復(fù)雜的限流技術(shù)可以更進(jìn)一步地把最高結(jié)溫（或者最大功率損耗）維持在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值以下。 2. 熱阻 發(fā)散出去的功率 Pd 決定於導(dǎo)熱性能，熱量流動(dòng)的面積以及溫度梯度，如下式所示： Pd=K*An?dT/dx () 式中 An 是垂直於熱量流動(dòng)方向的面積， K 是熱導(dǎo)，而 T 是溫度。對於一只 半導(dǎo)體器件，散發(fā)出去的功率可以用下式表示： Pd=?T/Rth () 以及 Rth = ?T/ Pd () 其中 ?T 是從半導(dǎo)體結(jié)至外殼的溫度增量， Pd 是功率損耗，而 Rth 是穩(wěn)態(tài)熱阻?？紤]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。作這個(gè)假定是合情合理的，因?yàn)樗矐B(tài)過程的延續(xù)時(shí)間比散熱時(shí)間常數(shù)短。熱阻可以由產(chǎn)品使用說明書上得到，它一般是用 “單脈沖作用下的有效瞬態(tài)過程的熱阻曲線 ”來表示 圖 1 Zth(t) 瞬態(tài)熱阻 3. SPICE 的實(shí)現(xiàn) 本文提出的模型使用一種不同的 PSPICE 模擬 量行為模型（ ABM）建模技術(shù)。 可以看到，由 SPICE內(nèi)的 MOSFET 模型，并不能以溫度結(jié)點(diǎn)的形式直接得到溫度。 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。為了評價(jià)溫度對漏極電流的影響（由 M1 我們只能夠確定在溫度 “Temp” 例如在 27 176。這部份電路可以看成是電流受控制的電流產(chǎn)生器： Id(G1)=Id(M1) ? f(VGS,VDS,Tj,VTH,) () 在式 ()中的 ?數(shù) f 的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以從器件的輸出特性通過內(nèi)插法很容易得到。 4. 計(jì)算 Tj(t) 當(dāng)大功率 MOSFET 工作在重復(fù)脈沖或者單脈沖的情況下，知道了平均功率損耗，然後將功率損耗乘以熱阻 Zth(t)，就可以得到模型的溫度。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。因此，平均功率損耗 Pave(tk) 是變化的，它代表從模擬仿真開始到時(shí)刻 tk 這段時(shí)間的功率損耗的平均值。我們可以把單個(gè)脈沖響應(yīng)用於 Cauer 或者 Foster 網(wǎng)絡(luò)。芯片溫度增高的平均值 ?Tjc(t)決定於 Pave(t)，再乘上 Zth(t)。 5. 模擬仿真結(jié)果及測量結(jié)果 在柵極驅(qū)動(dòng)信號為不同類型的情況下進(jìn)行了模擬仿真。這些模擬仿真的結(jié)果是用新的 SuperMESHTM STP14NK50ZFP 高電壓 MOSFET 測量得到的， MOSFET 是裝在絕緣的外殼中。下面是它的主要性參數(shù)： BVDSS RDS(on) STP14NK50ZFP (TO220FP) 500V ? 在很寬的溫度范圍上進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖 7 示。這個(gè)電 路包含電氣特性和熱特性之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。這些參數(shù)是熱阻、 RDS(on) 隨溫度的變化，等等。 可以相信，這里提出的模型可以用於對器件的熱性能進(jìn)行全面的分析，從而改進(jìn)它的長期可靠性。 參考文 傳熱過程中的基本問題可以歸結(jié)為： 載熱體用量計(jì)算 傳熱 面積計(jì)算 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。 （ 1） 熱量衡算式 根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過程中的熱量損失，則熱流體放出的熱量等于冷流體取得的熱量。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱體的用量。實(shí)踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差△tm 及傳熱面積 S 成正比，即： Q=KS△tm (31) S=nπd L (32) 式 中： Q── 傳熱速率， W； S── 傳熱面積， m2； △tm── 溫度差， 0C； K── 傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、流體流動(dòng)情況、流體的物牲等因素的影響， W/m2 若將式（ 31）變換