散热设计手册实战版.pdf

散热、吸热，还是绝热重要？散热、吸热，还是绝热重要？ 在这儿之前,有一个很重要的问题要问各位,您知道什么是热吗?在您选择一 项产品之前.您得先知道您用钞票换得手中的宝贝要解决的是什么物理现象,千 万别当了冤大头!热 (Heat)是能量吗? 严格来说它不算是能量,应该说是一种传递能量的形式.就好象作功一样.微 观来看,就是区域分子受到外界能量冲击后,由能量高的分子传递至能量低的区 域分子(就像是一种扩散效应),必须将能量转嫁释放出来.所以能量的传递,就是 热.而大自然界最根本的热产生方式,就是剧烈的摩擦(所谓摩擦生热如是说!). 从电子(量子力学)学的角度而言,当电子束滑过电子信道时,会因为与导线 (trace)剧烈摩擦而产生热,它形成一股阻力,阻止电子流到达另一端(就像汽车 煞车的效果是一样的).我们统称作废热. 所以当 CPU 的速度越高,表示它的 I/O(Input/Output)数越高,线路布局越复杂.就好比一块同样面积的土地上.您 不断的增加道路面积;不断的膨胀车流量,下场是道路越来越窄,而车子越来越多, 不踩煞车,能不出车祸吗?当然热量越来越高.信不信,冷飕飕的冬天,关在房里打 计算机,你会爱死它,又有得杀时间,又暖和!只是不巧,炎炎夏日又悄悄的接近 了 传热(Heat Transfer):既然说热是一种传递能量的形式.那就不能不谈传 递的方法了.总的来说整个大自然界能量传递的方式被我们聪明的老祖先(请记 住.热力学Thermal Dynamic是古典力学的一种!)概分为三种,接下来我用最浅显 易懂的方式分别介绍这门神功的三大基本奥义让各位知道: 1.)热传导(Conduction) 物质本身或当物质与物质接触时,能量传递的最基本形式(这里所说的物质 包括气体,液体,与固体).当然气体与液体(我们统称为流体)本身因为结构不似 固体紧密.我们又有另外一个专有名词来形容它,叫做热扩散(Diffusion).若诸 位看官真有兴趣的话,不妨把下面的公式熟记,对以后您专业素养的养成,抑或是 将来更深入的技术,探讨彼此的沟通都非常有帮助(这可是入门的第一招式,千万 别放弃您当专业消费者的权益了!).另外,为了避免您一开始走火入魔,请容我先 将所有的单位(Unit)都拿掉. Q = K*A*T/L 其中 Q 为热量;就是热传导所能带走的热量. K 为材料的热传导系数值(Conductivity);请记住,它代表材料的热传导特性,就 像是出生证明一样.若是纯铜,就是 396.4;若是纯铝,就是 240;而我们都是人,所 以我们的皮肤是 0.38,记住! 数值越高,代表传热越好.(详细的材料表我将于日 后择篇幅再补述!) A 代表传热的面积(或是两物体的接触面积.) T 代表两端的温度差;L 则是两端的距离. 让我们来看一下图标,更加深您的印象! 热传导后温度分布 铜材的导热系数高,经过热传导后,温度在铜材中分布就非常均匀,相反的,木材 的导热系数偏低,于是相同的传导距离,木材的温度分布就明显的不均匀(温度颜 色衰减的非常快;表示热量传导性不良.) 从上述的第一招式我们可以知道.热传导的热传量.跟传导系数,接触面积成 正比关系(越大,则传热越好!)而跟厚度(距离)成反比.好,有了这个观念,现在让 我们把焦点转到散热片身上,当散热片与热源接触,我们需要的是吸热,能够大 量的把热吸走,越多越好.各位可以到市面上看看最近有一些散热片的底部会加 一块铜板不是吗?或甚至干脆用铜当散热片底板.就是因为它的热导系数比铝多 出将进一倍(当然还有其它技术原因,容我先卖个关子). 嘿,嘿,聪明的读者,您一定也发现了一个问题,散热片的底部厚度好象越来 越厚耶!如果照我说的话,那不是传热效果越差了吗?如果您会问这个问题?先恭 喜您!您已经有本事报名英雄大会了.这牵涉到另外一门有趣的课题.因篇幅关系, 这一次我并不打算放进来.请诸位海涵! 2.)热对流(Convection) 流动的流体(气体或液体)与固体表面接触,造成流体从固体表面将热带走的 热传递方式.这一招是三招里面最为博大精深的一招,老祖先依其流体驱动的方 式将之转换折成貌和神离的两招,分别是 A.)自然对流(Natural Convection): 流体运动是来自于温度差.温度高的流体密度较低,较轻会向上运动.相反的, 温度低的流体则向下运动.所以是流体受热之后产生驱动力.(这里各位要牢记一 件事,只要温差,沿着重力场方向的流体就会开始运动,带走热量!) B.)强制对流 (Force Convection) : 顾名思义,流体受外在的强制驱动力如风扇驱动而产生运动.驱动力往那儿 吹,流体就往那儿跑,与重力场无关.不是很了解对吧!百闻不如一见,脱掉你宝贝 计算机的灰白色夹克.您应该会看到如下图所示的精采内脏. 如此清楚了吗?芯片组散热片不加风扇,利用的是自然对流将热量带走,表示 热量不高(一般来说介于 3 瓦8 瓦).至于 CPU 则因为热量较高 (尤其是桌上型计 算机,至少都在 30 瓦以上),自然对流的散热量不足以带走废热,因此得利用到风 扇驱动.至于更详细的各种芯片封 装(package)制程,规格资料与散热量的关系 (别忘了 CPU 也是一种封装,只是档次较高!),还有自然对流及强制对流在散热片 设计上的考量差异性,我会在往后的篇幅中以专题的方式撰写.让各位不但对电 子散热有所了解,更知道整条电子链的运作模式. 看看它的公式吧!为什么说它最博大精深是有原因的.到了这儿,请千万小心, 步步都是富贵险中求.殊不知多少江湖英豪;名门侠女都曾栽在这块看似山青湖 静,实则风阴涛涌的领域(包括笔者都曾差点儿翻不了身).一则是从此开始.您才 真正进入散热的大堂.一则是这 里又多了一门至深至幻的学问叫做流体力学 (Fluid Dynamic).我想试问各位一生中有多少次机会看到风扇是怎么吸空气;又 是怎么把空气吹出来的?我们换个角度想,要让流体产生运动,一个必要的因素是 什么?知其然,更要知其所以然,道行高的您或许已开始发出会心的一笑,还不了 解的看官也别担心, 这运功炼气可是半点儿急不得.渐纳慢吐,气通任督灌丹田, 才是习知之道. Q = H*A*T Q 为热对流所带走的热量. H 为热对流系数值(Hest Transfer Coefficient). 这里是笔者及数字高人讨论过后,一致公认散热领域内最虚无飘渺的一个参 数了.它既不是材质特性,更不是什么散热标准.说穿了还真有点儿好笑.这是老 祖先想破了头还是一无所知的情况下,直接写下的脚注.不信吗? 敢问诸位高手, 只听过 H 是随着流体状态;流场形式;固体表面形状的影响而改变的常数值(例 如:垂直方向的平板流H=1020,最多是个H与速度的几次方成正比关系),从没看 过哪一个方程式是可以解出 H 值的.(道道地地,不折不扣的经验值!) A 代表热对流发生时的有效接触面积.这里我要再一次强调.表面积大只是好 看,有效表面积也大那才够实在.至于什么是有效,将来我会举一些活生生的实 例给各位看,到时候可别合不拢嘴.散热片的变化无穷,主要在于它的鳍片设计, 一个设计良好的鳍片.会内外兼顾,不但跟空气的接触表面积大,而且大的很实在. 否则花那种冤望钱,不如自己做一块铜块盖上去不就好了吗?当然金属量产的加 工制程上有一定的限制,不同的制造工艺各有其优缺点,有时设计者不得不作一 些妥协与让步. T 代表固体表面与区域流体(Local Ambient)的温度差.这里就更惊险了.散热 片的设计,一个不小心就会跌入这个要命的陷阱里,它跟上面的所谓有效接触 面积还真有那么一点关系,我留一点儿空间先不说穿,让各位也想一想. 为什么我说到了这儿才算真正开始处理散热问题.因为不论自然对流或强制 对流,靠流体把热带走是现下最经济实惠的方式.殊不知地球大气运行时的妙用 无穷,我们换一个角度想,能量守恒定律,或许您也能参详一二.周围尽是用不完 的空气,不拿它来出出气,怎么说也 是暴敛天物,您说是吗? 下一次我们再谈另一个能量传递的方式(它也是散热的一员,只是平时韬 光养晦,深藏不露,但发起威来,套句广告词凡人无法档).而且角色变化多端, 非常有个性,也是笔者最喜欢的一个,请容我在此先搁笔.咱们下次再谈!散热,吸 热,还是绝热重要? 接下来介绍的,可又是散热的一名角儿.只是它的名气没热对流来的大,一般说 来在主动式散热片(Active Cooler)的散热比例上占的份量也有限,所以大伙儿 常忽略它.可是它在实际生活中扮演的角色可丰富了.您加热时绝对有它,散热时 它也有份,当要绝热时,更不能没有它,更夸张的是,少了它,地球的生态环境瞬间 就会失衡,看下去吧,向您郑重介绍 3.)热辐射(Radiation) 若说上一招热对流是谓博大精深,那这一招可就真算得上是清风拂山岗; 明月照大江的太极绝学了.待我解释完,您就知道我开头所述句句真言,绝无诳 语.别看它又清风,又明月的.真发起来,那可是招招重手,决不留情.(您以为炎炎 夏日太阳的热情是靠热传导或热对流招呼到您身上的吗?再举个更生活的例子, 没用过也看过灯管式电暖气吧?再告诉您一个小秘密,笔者求学时就曾经利用 180 瓦的工地用卤素大灯两个煮三人份的火锅,不盖你,这些都得拜热辐射所赐!) 这说完它加热的好处,我留一点篇幅稍后 再解释它与散热,绝热的关系.让我们 先把焦点转回它的原理上. 有人曾问笔者,热辐射是不是放射性的 a,b,g 辐射波,您说呢?那可是对任何 生物都会造成伤害性的辐射线耶!不要怀疑,虽不中亦不远矣 ,它们还真有血源 关系呢,这一部份因为是笔者最喜欢的一种散热方式,也是当今能参透这门绝学 的人少之又少(包括笔者也不是),是以笔者不得不一吐为快,交代清楚,以免让各 位越看越模糊,热辐射是一种可以在没有任何介质(空气)的情况下,不需要靠接 触,就能够达成热交换的传递方式.一种我戏称为热数字讯号(Thermal Digital Signal)的波的形式达成热交换.既然是波,那就会有波长,有频率 ,而 所谓波的能量,就是频率乘上一个叫做普郎特的常数(Plancks Constant ),既然 跟频率有关,那好,频率的大小依次是 Gamma 射线 ,X 射线,紫外线,可见光,红外 线,微波而热辐射能量就介于紫外线与红外线之间,所以还算排行老三呢,但光 是如此就让你在 7 月中午的 太阳下站不住五分钟了吧!其实您还得感谢地球上 有大气层,空气和水分子,这些介质帮我们吸收掉了不少能量呢! 好,咱们再回到主题,既然不需要介质,那就得靠物体与物体表面的热吸收性 与放射性来决定热交换量的多寡.我们统称为物体表面的热辐射系数 (Emissivity),其值介于 01 之间,是属于物体的表面特性,有一点儿像热传导系 数(Conductivity) 都属于材料特性.(其实吸收性(率 )与放射性(率)是一样的, 我稍后解释.严格来说,物体表面的热辐射特性有三种,分别是吸收率,反射率和 穿透率.这三者加起来的值和为 1,像是玻璃,它的能量穿透性很强,所以相对的 吸收性与反射性便较弱).让我们看一下它的公式吧 Q =esF(T4) Q 为物体表面热幅热的热交换量.我在这儿强调是热交换量而不是带走的热量. 因为公式本身牵涉到两个表面在进行辐射热交换,当假设其中一个表面不存在时, 则存在的表面便假设是与某一有限远的固定大气温度进行热交换. e 物体表面的热辐射系数(Emissivity),其值介于 01 之间,是属于物体的表面 材料特性,这一部分当物质为金属且表面拋光如镜时,热辐射系数只有约 0.02 0.05 而已,而当金属表面一但作处理后(如表面阳极处理成各种颜色亦或喷漆, 则热辐射系数值立刻提升至 0.5 以上 ,如下图所示当散热片表面处理成绿色后, 热辐射系数值立刻由 0.03 提升至 0.82. 处理前处理后 而塑料或非金属类的热辐射系数值大部份超过 0.5 以上,s 是波次曼常数 5.67*10-8 ,只是一个常数. F 是里面最玄的一个,洋文叫做 Exchange View Factor,中文应该说成是辐射热交 换的视角关系,它其实是一个函数,一个跟两个表面所呈角度,面积,及热辐射系 数有关的函数.非常复杂,笔者在此不敢再写下去,以免各位看官承受不住. (T4)最后这个算是最好说的,但也最容易被一般刚入江湖的年轻人弄错的.它 正确的写法如笔者框红线所示,是(Ta4- Tb4)而不是(Ta- Tb) 4,.这其中 Ta 是表 面 a 的温度而 Tb 是表面 b 的温度。 嘿!嘿!如何.写到这儿,如果您是属于完全领悟参透型的高手,那笔者不但恭 喜您 ,而且相信您一定也是一位玩热的专家,若您是属于不知笔者所言为何物型 的看官也别着急,看看下面的照片或许能加深您的印象： Intel Pentium IV 的 CPU 在红外线摄影机下拍到的热像就是那样,金属帽因为热辐射系数低,相对热辐射 量就小,所以颜色温度低,而芯片基板上表面是接近树脂材料所以热辐射系数较 高,相对热辐射量就大,温度颜色就高.如此,懂了吗? 热辐射 所以热辐射的定义是如果物体本身是一个好的辐射散热体,那相对的它也绝 对会是一个好的辐射吸热体,这吸热与散热就端看物体表面本身的温度与周围或 另外一个物体表面的温度是高是低.若是高,则热便会藉由热辐射散出去,反之热 就会被吸收进来.而通常在热对流效应相对很强的情况下(尤其是装风扇的 CPU Cooler),热辐射量相对就有限,它与之前所说的热对流散热效应比较起来,几乎 是可忽略的一环.但是,反过来说,像部份芯片的被动式散热片(Chipset Heat sink),它的热对流散热效应较不明显,反而会使得热辐射散热效应相对提高,有 时甚至会占超过 30%的总散热量. 这儿之所以我们称它散热的原因,就是因为我们所谈的散热片都是装附于热 源上,通常它的温度都会比周围环境温度要高出许多. 而至于绝热呢?我想我也提出一些问题让各位想一想,保温瓶内为什么要用 绝热体包附水银胆呢?给您一个提示亮面如镜的水银胆反射率可是非常高的喔. 那像卫星呢?没有大气层的水及空气保护吸收太阳的辐射热,不会有过热的问题 吗?卫星上一样有高精密的电子组件,耶!重点就在于卫星面向太阳的表面有一层 反射率非常高的披覆层保护着,让太阳的热辐射量,除了太阳能板之外,几乎全部 反射回去,以减少热辐射量的穿透跟吸收. 各位聪明的看官,说到这儿,您认为是吸热,散热,还是绝热重要呢?您是否对 热这个现象已有初步的概念了呢?别着急,将来有一天你也会跟笔者一样对它又 爱又恨的呢!话又说回来,吸热,散热,绝热其实各有所长,也各有其应用于热的时 机,端看您的应用领域而有所区别,其实,大部份时候它们还是相互交会运用的机 会较大呢! 好,我假设各位对所谓的热传递形式热传导(Conduction),热对流 (Convection)， 热辐射(Radiation)都有了初步的认识,让我帮各位整理一下思绪, 把焦点转回到 CPU Cooler 的基本架构上,一块一块的剖开来定义清楚,现在让我 们进入到下面的这张图片去 : (1) 风扇:热对流组件,功能上就在于驱动空气灌入下方的散热片中,利用新鲜且 大流量的冷空气灌入,并加上风扇本身驱动流场的甩动特性,提高了之前所提到 过的热对流系数值(Hest Transfer Coefficient).藉此提高热对流的散热效果. 其所占散热的比例份量最重,算是散热界当红的炸子鸡. (2) 扣具:严格说,它算是机构组件,不是散热组件.主要是将散热片扣合在 CPU 的表面上,但研究发现,当散热片底板与热源接触面受力越大,则固体表面间的接 触热阻抗越小,所以,扣具的研发,也慢慢转型为针对散热片受力均匀性为重点. 既然牵涉到接触阻抗,那就牵涉到散热片底部的吸热能力,所以,扣具也算是半个 热传导组件. (3) 散热片(鳍片部份):我们细分这个部份,它算是连接(吸热)热传导与热对流 及热辐射(散热)的最重要管道,因为散热的三大最基本条件就是面积,面积,面 积,读者可参详Part2 与Part3 的内容公式便知,这散热片的技术与工艺主要就 在这儿,其次,表面阳极处理也是一个非常重要的工艺,它不仅仅是设计上的美观, 更牵涉到辐射热交换量的多寡,所以,鳍片设计的好坏,直接决定了产品的生死. 当然各种不同的机械加工产品各有其设计上的考量(有的是以吸热为主;有的是 以散热为主),但若程度差太远,那就很可惜了,笔者见到坊间不少不忍目睹的散 热器,想想,铝条若有知,也一定会暗自掉泪吧! (4) 散热片(底板部份):热传导组件,这儿是纯粹就吸热而言,决定底板的好坏, 先要知道问题的症结在那儿,吸热的致命关键就在克服 与热源的接触热阻 (Contact Resistance)及热传到底板之后的扩散热阻(Spreading Resistance), 所以,底板的设计可也是丝毫苟且不得的.殊不知所有的源头就在于热如何被有 效的带出来,连源头都处理不好,更别谈接下来的散热了.看官们可以参照产品评 估报告,互相比较,便知其中奥妙.更可以加深您的印象,让您向专家之路再迈进 一大步. (5) 热导介质:也是热传导组件,坊间有不少导热胶片或导热膏产品,姑且不论其 好坏,它的功用就在于克服金属接触面的微小缝隙,别小看它薄薄的一片,您若不 怕 CPU 冒烟的话,下次换一般黏土玩玩看,保证有趣的要命,(笔者曾测试过,那种 坐云霄飞车的快感,保证让您难忘又难过好一阵子),至于导热胶片好还是导热膏 好,并没有一定,但效果好是最重要的,将来笔者会针对一系列不同材料评估比较 给您知道. (6) CPU:热源,这边若细谈会牵涉到封装制程,要说好一阵子(包括所有的封装演 进史与发展过程),笔者再选适当时间叙述. (7) (8) Socket 与主板,这儿笔者之所以要把这两项放在一起谈,就是因为散热 的考量,其实,热源所释放的热,有 10%以上是往下经由 Socket 从主板被带走的, 告诉您一个重点,主板是一块非常大的散热板,笔者见过不少系统都有直接(或间 接)针对主板强大的散热能 力上作文章的.这其中不止 PC 产品而已,包括液晶投 影机,电源供应器(不断电系统),网络数据交换机.都曾对主板这帖不可多得的 散热药材下过一翻工夫. 说到这儿,必须对这次的主题下一个结语了,单刀直入,散热还是您我最关心 的重点,但在还没散到热之前,必须解决的是吸热的问题,至于绝热呢,还不到时 候,多想无益.往后,笔者会针对吸热与散热的重点(当然是深入浅出,而且包容万 象)一五一十叙述,让大家从此踏入这个领域,一窥这百家争鸣的热闹与璀璨.坐 稳了.引擎一旦激活,您就只能睁大眼,张大嘴,竖起耳多跟着我这个导游一起体 会这无限的热疆界 资料 1 散热 在普通的数字电路设计中， 我们很少考虑到集成电路的散热， 因为低速芯片的功耗一般很小， 在正常的自然散热条件下，芯片的温升不会太大。随着芯片速率的不断提高，单个芯片的功 耗也逐渐变大，例如：的奔腾的功耗可达到 25W。当自然条件的散热已 经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时， 就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面 热的释放，使芯片工作在正常温度范围之内。 通常条件下，热量的传递包括三种方式：传导、对流和辐射。传导是指直接接触的物体 之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递， 对流是借助流体的流动传递热量， 而辐 射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。 在实际应用中，散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用。散热器通过 和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器， 散热器通常是一块带有很多叶片的热的 良导体，它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。 风扇的使用也分为两种形式， 一种是直接安装在散热器表面， 另一种是安装在机箱和机架上， 提高整个空间的空气流速。 与电路计算中最基本的欧姆定律类似， 散热的计算有一个最基本 的公式： 温差 = 热阻 功耗 在使用散热器的情况下，散热器与周围空气之间的热释放的阻力称为热阻，散热器与 空气之间热流的大小用芯片的功耗来代表，这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存 在， 在散热器和空气之间就产生了一定的温差， 就像电流流过电阻会产生电压降一样。 同样， 散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻。热阻的单位为/W。选择散热器时，除了机 械尺寸的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。热阻越小，散热器的散热能力越强。 下面举一个电路设计中热阻的计算的例子来说明： 设计要求： 芯片功耗： 20 瓦 芯片表面不能超过的最高温度： 85 环境温度（最高） ： 55 计算所需散热器的热阻。 实际散热器与芯片之间的热阻很小，取 01/W 作为近似。则 （R + 0.1） 20W = 85 - 55 得到 R = 1.4 /W 只有当选择的散热器的热阻小于 1.4/W 时才能保证芯片表面温度不会超过 85。 使用风扇能带走散热器表面大量的热量，降低散热器与空气的温差，使散热器与空气之 间的热阻减小。因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示。如下例： 风速（英尺/秒）热阻（/W） 03.5 1002.8 2002.3 3002.0 4001.8 散热 2 我用 7805 7810 如何计算散热片尺寸？ 以 7805 为例说明问题。 设 I=350mA，Vin=12V，则耗散功率 Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W 按照 TO-220 封装的热阻JA=54/W，温升是 132，设室温 25，那么将 会达到 7805 的热保护点 150，7805 会断开输出。 正确的设计方法是： 首先确定最高的环境温度，比如 60，查出民品 7805 的最高结温 TJMAX=125，那么允许的温升是 65。要求的热阻是 65/2.45W=26/W。再 查 7805 的热阻，TO-220 封装的热阻JA=54/W，TO-3 封装（也就是大家说的 “铁壳”）的热阻JA=39/W，均高于要求值，都不能使用（虽然达不到热保 护点，但是超指标使用还是不对的）。所以不论那种封装都必须加散热片，资料 里讲到加散热片的时候，应该加上 4/W 的壳到散热片的热阻。 计算散热片应该具有的热阻也很简单，与电阻的并联一样，即 54/x=26， x=50/W。其实这个值非常大，只要是个散热片即可满足。 国产散热器厂家其实就是把铝型材做出来，然后把表面弄黑。热阻这种最基 本的参数他们恐怕从来就没有听说过。 如果只考虑散热功率芯片的输入输出电 压差 X 电流是芯片的功耗，这就是散热片的散热功率。 散热 3 热设计热设计 由于电源模块的转换效率不可能是 100%，因此自身有一定的功耗，电源模块本 身发热的高低，主要取决于电源模块的转换效率。在一定外壳散热条件下，电源 模块存在一定的温升(即壳温与环境温度的差异)。 电源模块外壳散热表面积的大 小直接影响温升。对于温升的粗略估计可以使用这样的公式：温升=热阻系数 模块功耗。热阻系数对于涂黑紫铜的外壳 P25XXX(用于 SMP-1250 系列产品的外 壳)来说约为 3.76C/W。这里的温升和系数是在模块直立，并使下方悬空 1cm， 自然空气流动的情况下测试的。 对于温度较高的地方须将模块降额使用以减小模块的功耗，从而减小渐升，保证 外壳不超过极限值。 对于功率较大的模块，须加相应的散热器以使模块的温升得到下降。不同的散热 器在自然的条件下有不同的对环境的热阻， 主要影响散热器热阻的因素是散热器 的表面积。同时考虑到空气的对流，如果使用带有齿的散热器应考虑齿的方向尽 量不阻碍空气的自然对流，例如：当使用的模块输出功率为 100W，效率为 82% 时，满载时模块的功耗为：100/0.82-100=22W，选用附件中 WS75(75W) 散热器， 其热阻为 1.9C/W,不考虑原外壳的横向散热,自然散热的温升为 1.922=42C。 散热 3 包含热模型的新型 MOSFET PSPICE 模型 作者：Filippo Di Giovanni, Gaetano Bazzano,Antonio Grimaldi 意法半导体公司 Stradale Primosole, 50 - 95121 - Catania,ITALY 电话 传真： 电邮：Email: filippo.digiovanni 摘要摘要: : : : 功率转换器的功率密度越来越高功率转换器的功率密度越来越高， 发热问题越来越严重发热问题越来越严重， 这种功率转换器的设计对现这种功率转换器的设计对现 代大功率半导体技术提出了新的挑战。因而热问题的优化设计和验证变得比大功率器件的代大功率半导体技术提出了新的挑战。因而热问题的优化设计和验证变得比大功率器件的 电模型更加重要，本文提出一种新的电模型更加重要，本文提出一种新的 PspicePspicePspicePspice 模型，可以利用它计算模型，可以利用它计算 MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET 芯片在瞬变芯片在瞬变 过程中的温度过程中的温度。本文提出的模型中所需要的热阻可以从制造商提供的产品使用说明书得到本文提出的模型中所需要的热阻可以从制造商提供的产品使用说明书得到。 。 本文介绍本文介绍 MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET 的一种新的的一种新的 PSPICEPSPICEPSPICEPSPICE 等效热模型，这个模型提供发热和电气参数之间等效热模型，这个模型提供发热和电气参数之间 的动态关系的动态关系。这里提出的模型建立了与许可的热环境的关系这里提出的模型建立了与许可的热环境的关系，例如例如，栅极驱动电路栅极驱动电路、负载负载、 、 以及散热器的分析与优化设计。可以利用这个模型来改善散热器的设计。由於决定功率损以及散热器的分析与优化设计。可以利用这个模型来改善散热器的设计。由於决定功率损 耗的参数参差不齐，与生产制造有关，受生产制造的影响很大，因而散热器的设计往往由耗的参数参差不齐，与生产制造有关，受生产制造的影响很大，因而散热器的设计往往由 於无法预先知道功率损耗而无法进行。於无法预先知道功率损耗而无法进行。 1. 引言 散热器在计算时会出现误差， 一般说来主要原因是很难精确地预先知道功率 损耗，每只器件的参数参差不齐，并不是一样的，而且在芯片上各处的温度也是 不同的。结果是，安全的裕度可能离开最优值很远。现在出现了很多功能很强的 模拟仿真工具，因此有可能在预测功率损耗和热设计的校核方面做一些改进。 然 而，为了确保长期可靠性，运用复杂的限流技术可以更进一步地把最高结温（或 者最大功率损耗）维持在一个预定的数值以下。 动态负载变化所引 的任何热 响应的改变都可以直接地进行测量，并且用闭路控制的方法来修正。 2. 热阻 发散出去的功率 Pd 决定於导热性能，热量流动的面积以及温度梯度，如下 式所示： Pd=K*AndT/dx(2.1) 式中 An 是垂直於热量流动方向的面积，K 是热导，而 T 是温度。可是这个公式并没 有甚麽用处，因为面积 An 的数值我们并不知道。对於一只半导体器件，散发出去的功率可 以用下式表示： Pd=T/Rth(2.2) 以及 Rth= T/ Pd(2.3) 其中T 是从半导体结至外壳的温度增量，Pd是功率损耗，而 Rth是稳态热阻。芯片温 度的升高可以用式(2.2) 所示的散热特性来确定。考虑到热阻与时间两者之间的关系，我们 可以得到下面的公式： Zth(t)= Rth1-exp(-t/ )(2.4) 其中(是所讨论器件的半导体结至外壳之间的散热时间常数，我们也认为 Pd 是在脉 冲出现期间的散发出去的功率。那麽，我们可以得到： T(t)=PdZth(t)(2.5) 如果 Pd 不是常数，那麽温度的瞬态平均值可以近似地用下式表示： T(t)=Pavg(t)Zth(t)(2.6) 其中 Pavg(t) 是散发出去的平均功率。作这个假定是合情合理的，因为瞬态过程的延续 时间比散热时间常数短。由於一只 MOSFET 的散热时间常数为 100ms 的数量级，所以一般 这并不成其为问题。热阻可以由产品使用说明书上得到，它一般是用“单脉冲作用下的有效 瞬态过程的热阻曲线”来表示 图图 1 1 1 1 Zth(t)Zth(t)Zth(t)Zth(t)瞬态热阻瞬态热阻 3. SPICE 的实现 本文提出的模型使用一种不同的 PSPICE 模拟量行为模型（ABM）建模技术。事实上， 利用这种建模方法，使用者可以用数学的方法建立模型，不必使用更多的资源。 可以看到，由 SPICE 内的 MOSFET 模型，并不能以温度结点的形式直接得到温度。然 而，可以用图 4 中所示的“窍门”来解决这个问题。 为了做到这点， 把MOSFET M1表示成为一个普通的 Level-3 MOS模型 加上一个电路。 晶体管 M1 仅仅是“感知”温度，温度是指通用的 SPICE 变量“Temp”。为了评价温度对漏极 电流的影响（由 M1 我们只能够确定在温度“Temp” 例如在 27 C 时，电流随著漏极电压的 变化） ，增加了电路 G1 。这部份电路可以看成是电流受控制的电流产生器： Id(G1)=Id(M1)f(VGS,VDS,Tj,VTH,)(3.1) 在式(3.1)中的?数 f 的数学表达式可以从器件的输出特性通过内插法很容易得到。它与 M1 的模型有关，因而可以建立模拟量行为模型（ABM） 。 4. 计算 Tj(t) 当大功率 MOSFET 工作在重复脉冲或者单脉冲的情况下，知道了平均功率损耗，然後 将功率损耗乘以热阻 Zth(t)，就可以得到模型的温度。在电路中，热阻 Zth(t)的数值是用电 压来表示的，使用的符号为 V(Zth(t)。参看模型 G2，现们来计算 M1 的瞬时功率损耗： Pd(t)=VDSG1(t)IDG1(t)(4.1) 其中 IDG1(t)=IdM1(t)f(VGS,VDS,Tj,Vth,)(4.2) 在式(4.1)中，Pd(t) 是“ELAPLACE”的输入量。 ELAPLACE 起积分的作用，於是得 到消耗的能量 E(t)；由此可以得到平均功率损耗如下 Pave(tk)= E(tk)/tk(4.3) Pave(tk) 当然是与时间有关的，因为这个参数 是随著模拟仿真的进行而改变的。因此，平均功率损耗 Pave(tk) 是变化的，它代表从模 拟仿真开始到时刻 tk 这段时间的功率损耗的平均值。热阻曲线 Zth(t) 可以以不同方式纳入 到这个模型中。我们可以把单个脉冲响应用於 Cauer 或者 Foster 网络。我们也可采用 a) 列 表来表示，b)电压产生器 VPULSE， c) 一种激励电压产生器。 芯片温度增高的平均值Tj-c(t) 决定於 Pave(t)，再乘上 Zth(t)。 因此 Tj-c(t) 可以用下式表示： Tj-c(t)= Pave(t)Zth(t).+Tcase(4.4) 其中 Tcase取等於环境温度。 5. 模拟仿真结果及测量结果 在栅极驱动信号为不同类型的情况下进行了模拟仿真。 下面图中的曲线是模拟仿真的结 果。 这些模拟仿真的结果是用新的 SuperMESHTM STP14NK50ZFP 高电压 MOSFET 测量得 到的，MOSFET 是装在绝缘的外壳中。 这种 MOSFET 器件是用本公司专有的 Mesh OverlayTM 技术的经过优化而制造的产品。下面是它的主要性参数： BVBVBVBVDSSDSSDSS DSSR R R RDS(on)DS(on)DS(on)DS(on) STP14NK50ZFPSTP14NK50ZFPSTP14NK50ZFPSTP14NK50ZFP (TO-220FP)(TO-220FP)(TO-220FP)(TO-220FP) 500V500V500V500V 0.380.380.380.38 在很宽的温度范围上进行了测量，测量结果如图 7 示。 图图 2 2 2 2 不同温度不同温度 TjTjTjTj 时的输出特性曲线时的输出特性曲线( ( ( (实测结果实测结果) ) ) ) 图图 3 3 3 3 在不同的在不同的 TjTjTjTj 时的输出性曲线时的输出性曲线( ( ( (模拟结果模拟结果) ) ) ) 图图 4 4 4 4电路图电路图 图图 5 5 5 5 在在 10V10V10V10V 时的时的 RDS(on)RDS(on)RDS(on)RDS(on) ( ( ( (模拟结果模拟结果) ) ) ) 图图 6 6 6 6在在 10V10V10V10V 时的时的 RDS(on)RDS(on)RDS(on)RDS(on) ( ( ( (实测结果实测结果) ) ) ) 图图 7 7 7 7在在 10V10V10V10V 时的时的 VDS(on)VDS(on)VDS(on)VDS(on) ( ( ( (模拟结果模拟结果) ) ) ) 图图 8 8 8 8 在在 10V10V10V10V 时的时的 VDS(on)VDS(on)VDS(on)VDS(on)（实测结果）（实测结果） 图图 9 9 9 9 ( ( ( (从上至下从上至下) ) ) )： A)A)A)A) TjTjTjTj 随时间的变化随时间的变化 B,C)B,C)B,C)B,C)漏极电流漏极电流 6. 结论 本文介绍了大功率 MOSFET 的一种新型的 PSPICE 电路模型，其中包含热模 型，利用这个模型，设计人员可以确定硅芯片在瞬变过程中任何给定时刻的平均 温度。这个电路包含电气特性和热特性之间的动态关系。唯一需要的输入参数可 以很容易地从制造商提供的产品说明书中得到。这些参数是热阻、 RDS(on) 随 温度的变化，等等。 这个模型也可以用於其它的半导体器件，包括双极型晶体 管。 可以相信，这里提出的模型可以用於对器件的热性能进行全面的分析，从而 改进它的长期可靠性。 7. 致谢 本文作者借此机会感谢在Catania的MOSFET和IGBT产品技术和市场部的宝 贵建议和支持。 参考文 1. B.J. Baliga , Modern Power Device. 2. Dr. P. Trkes, Dr. M. M?rz, P. Nance, SPICE Models for SIPMOS Components Application Note. 3. Jon Mark Hancock Siemens Microelectronics A Hierarchical Cross-Platform Physics Based MOSFET Model for SPICE and SABER. 5. Dr. John W. Sofia Fundamentals of Thermal Resistance Measurement. 6. Dr. John W. Sofia Electrical Thermal Resistance Measurements for Hybrids and Multi-Chip Packages. 技术交流_2003 年 1 月 30 日 资料 5 传热过程中的基本问题可以归结为： 1、 载热体用量计算 2、 传热面积计算 3、 换热器的结构设计 4、 提高换热器生产能力的途径。 解决这些问题，主要依靠两个基本关系。 （1） 热量衡算式 根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则热 流体放出的热量等于冷流体取得的热量。即 Q 热=Q 冷， 称为热量衡算式。由这 个关系式可以算得载热体的用量。 （2） 传热速率式 换热器在单位时间内所能交换的热量称为传热速率，以 Q 表 示，其单位W。实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差 tm 及传热面积 S 成正比，即： Q=KStm(3-1) S=nS=nd d L L(3-2) 式 中：Q传热速率，W； S传热面积，m2； tm温度差，0C； K 传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流 动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2 ； n 管数； d 管径，m； L 管长，m。 若将式（3-1）变换成下列形式： Q/S=Q/S=tm/(1/K)tm/(1/K)(3-3) 式中：tm传热过程的推动力， 1/K 传热总阻力（热阻），m2 /W。 则单位传热面积的传热速率正比于推动力，反比于热阻。因此，提高换热器的传 热速率的途径是提高传热推动力和降低热阻。 另一方面，从式（3-1）可知，如杲工艺上所要求的传热量 Q 己知，则可在确定 K 及tm 的基础上算传热面积 S，进而确定换热器的各部分尺寸，完成换热器的 结构设计。 本章主要介绍应用这两个基本关系解决上述四个问题。 介绍的范围以稳定传热为 限。所谓稳定传热是指传热量与时间无关，即每单位时间内的传热量为定值。 反 之，传热量随着时间而变的则是不稳定传热，一般在化工连续生产中都属稳定传 热。 就传热机理而言，任何热量传递总是通过传导、对流、辐射三种方式进行的。 传 热可依靠其中一种方式或几种方式同时进行， 净的热流方向总是由高温处向低温 处流动 第三节传热计算 间壁式传热是食品工业中应用最广泛的传热方式。在绝大多数情况下，这种传热 是大规模连续进 行的。在这过程中，不论是热流体，还是冷流体或固体壁面，各点的温度不随时 间而变，故属于 稳定传热过程。我们主要讨论稳定过程。 传热计算主要有两方面内容：一类是设计计算，即根据生产要求的热负荷确定换 热器的传热面积 ；另一类是校核计算，即计算给定换热器的传热量，流体的流量或温度等。二者 均以换热器的热 量衡算和传热速率方程为计算的基础。 一、热量衡算 对间壁式换热器作能量衡算，因无外功加入，且位能和动能项均可忽略，故实际 上为焓衡算。 焓差法 Q=qm,h(Hh1-Hh2)= qm,c(Hc2-Hc1) 式中qm-质量流量，kg/s H-单位质量流体的焓，J/kg 显热法 潜热法 二、总传热速率方程 （一）总传热速率方程 如前所述，两流体通过管壁的传热包括以下过程： 热流体在流动过程中把热量传给管壁； 通过管壁的热传导； 热量由管壁另一侧传给冷流体。 （二）总传热系数 （三）污垢热阻 三、平均温度差 一般情况下，冷，热流体在稳定换热的设备内分别在间壁两侧沿传热面进行吸热 或放热流体的温 度沿传热面逐渐变化。局部温度差也是沿传热面而变化的。 当液体发生相变时，则其温度保持不变。当两侧均为变温时，两流体又有顺流和 逆流之分。这几 种情况下温度沿传热面的变化如图所示。 对一侧变温或两侧变温的情形，设冷，热两流体的比热容为常数，总传热系数为 常数，热损失可 忽略，则在稳定传热时可用下列方法计算平均温度差。 Q=KStm 逆流操作与顺流操作相比较，具有如下几方面的优点： 加热时，若冷液体的初温终温处理量以及热流体的初温一定由于逆流时热流 体的终温有可能 小于冷流体的终温，故其热流体消耗量有可能小于顺流者。冷却时的情况相似， 冷流体消耗量有 可能小于顺流者。 完成同一传热任务。若热冷流体消耗量相同，由于逆流的对数平均温差大于 顺流，故所需的 传热面积必小于顺流。 由此可见，除个别特殊情况外，应选择逆流操作较为有利。至于顺流操作，它主 要用于加热时必 须避免温度高于某一限定温度，或冷却时必须避免温度低于某一限度的场合。 在实际换热器中，往往还伴有更复杂的情况。一种是两液体的流动不是平行而是 正交的，这种流 动方式称为错流。第二种情形是两流体虽作平行流动，但对一部分管子而言属顺 流，对另一部分 管子而言属逆流，这种流动称为折流。 对于错流和折流，其平均传热温差可用下法求取： 首先将冷热液体的进出口温度假定为逆流操作下的温度，求取其对数平均温差， 然后乘以修正系 数，即得平均温度差： 四传热的强化 强化传热的目的是以最小的传热设备获得最大的生产能力。 强化传热有如下几种 途径： 1 加大传热面积 加大传热面积可以增加传热量，但设备增大，投资和维修费用也随之增加。要看 传热量的增加数 值能补偿费用上的增加。 2 增加平均温差 平均温差愈大，自然热流量愈大。理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却介 质温度的办法， 但往往受客观条件和工艺条件的限制。另外，在一定的条件下，采用逆流方法代 替顺流，也可提 高平均温差。 3 减小传热阻 根据热阻的分析，一般金属间壁的导热热阻是较小的，所以强化措施通常不放在 此点上。但当这 项热阻占有显著分量时，减小壁厚或使用热导率较高的材料，显然可以收效， 重 要的问题在于需 要经常保持壁面清洁。有时，防止污垢形成或经常清除垢层成为很重要的强化措 施。 热阻中，重要的是两侧传热热阻，必须细心地考虑其强化措施。加大流速，提高 湍动程度，减小 层流内层厚度，均有利于提高表面传热系数。 第四节表面传热系数关联式 用牛顿冷却定律处理复杂的对流传热， 实质上是把一切复杂的影响因素均集中于 表面传热系数。 因此，对对流传热珠形容便转化为对各种具体情况的表面传热系数的研究。 一对流传热的准数方程 （一）影响对流传热的因素 实验表明，影响表面传热系数的因素有以下几个方面： 1 流体的种类和相变化的情况 液体气体和蒸汽都有不同的表面传热系数。牛顿型流体和非牛顿型流体也是这 样。流体有无相变 化，对传热有明显不同的影响。 2 流体的流动状态 流体扰动程度愈高，层流内层的厚度愈薄，对流传热系数也就愈大。 3 流体流动的原因 自然对流是由于流体内部存在温度差，因而各部分流体的密度不同，引起流体质 点的相对位移。 强制对流是由于如泵搅拌器等外力的作用迫使流体流动， 通常强制对流的表面传 热系数比自然对 流的表面传热系数大得多。 4 流体的物理性质 对表面传热系数影响圈套的流体物性有流体的密度粘度热导率和比热容等。 流体 的物理性质不同 ，流体和壁面间的对流传热也不同。 5 传热面的形状大小及位置 管板管束等不同形状的传热面，管径管长或板的高度，管子排列方式，水平或垂 直旋转等都影响 表面传热系数。 （二）量纲分析法 综上所述，影响对流传热的因素很多。工程上常采用的是特征数方程或称特征数 关联式。它是通 过实验得到数据后，再经理论分析整理而成的。 （三）各特征数的物理意义 通过推导得到的特征数方程式含有四个量纲为一的数群。它们的物理意义如下： 1努塞尔数，或称传热数，符号为，即： 2雷诺数，或称流动数，即： 3普朗特数，或称物性数，即： 4格拉晓夫数，即