笔记本是如何散热的

笔记本电脑是如何解决散热问题的笔记本电脑是如何解决散热问题的 随着移动处理器的性能越来越强 笔记本所发出热潮更加逼近我们 在台式机中 散热一 般也只是电脑用户关注的对象 因为在台式机中 散热并不存在什么技术上的瓶颈 而笔 记本就不同了 在性能与便携性对抗中 散热成为最关键的因素 笔记本散热 其实一直 就是笔记本核心技术中的瓶颈 热量从哪里来 热量从哪里来 曾经引起争论的台式机处理器不仅能够在笔记本电脑中使用 而且是一个非常优秀的性价 比解决方案 但由于台式机处理器的耗电 发热量较大 所以使用在笔记本电脑中就可能 因散热不良而引起故障 这也是 Mobile 版处理器存在的理由 而早期 M 版本处理器 采取以性能换温度的做法虽然在一定程度上解决了散热问题 但相对低下的性能实在令人 头疼 毕竟在方便性满足后 人们对笔记本电脑的性能又提出了新的要求 现在许多型号的笔记本电脑处理器都消耗多于 20W 的电力 如最新的 Mobile P4 M 虽 然采用最新的一些技术 使得整体平均能耗可以下降到 2W 但是其峰值功率依然在 30W 左右 这些消耗掉能量最后都将作为热量散发出来 不要认为处理器是笔记本电脑中发热 量最大的部分 事实上处理器所散发的热量仅占内部整体发热量的 7 左右 之所以强调处 理器的散热方式是因为它是一个集中散热的产品 如果散热处理不当则有可能导致整机报 废 处理器烧毁 所以我们将笔记本电脑的散热性能好坏集中在处理器上 早期处理器能耗较低 Pentium 时代 不需特殊处理散热部分 只要简单采用被动散热 即可满足处理器的散热需要 即采用散热片足矣 在进入 Pentium 时代后 这种方式 显然不能有效降低处理器核心温度 于是主动散热方式开始使用在笔记本电脑中 早期的 主动散热依然局限在风扇 散热片的组合 该组合热效率低且体积 功耗都偏大 所以在 进入高性能的 Pentium 处理器时代后各种新的散热设计进驻笔记本电脑内部 而到了 P4 M 设计功率达到 30W 散热 更是迫在眉睫 早期散热结构 风扇 散热片 长久以来 散热问题一直是笔记本电脑最大的技术瓶颈 因为它关系到笔记本电脑的稳定 度 许多不明原因的死机都是因为散热问题无法解决 今年 3 月 4 日 英特尔公司的移动 P4 处理器一推出 几乎所有的笔记本电脑厂商都纷纷推出了采用 P4 处理器的机型 但是 在享有更强运算能力的同时 高耗电量和散热量两个不容忽视的问题也紧随而来 成为让 笔记本电脑制造商最头疼的事情 移动 P4 芯片无疑成为考验各大品牌笔记本电脑散热系 统的试金石 散热的基本知识散热的基本知识 散热 我们在台式电脑中已经接触很多了 无外乎就是一个热量传递过程 也就热传导 对流 辐射等几种方式 通常在电脑中应用到的就是风冷技术 而在笔记本中 风冷依旧 的主要的散热方式 不过由于它的空间和耗电量的局限性 热管散热技术被普遍应用到笔 记本电脑中 因此 在笔记本中 绝大数的散热方式 风扇 热管 散热板的组合 风扇风扇 风扇是起着强制对流的作用 属主动散热方式 风扇容量是在零压力的时候 无气流阻力 时 被确定的 实际上每个风扇都有它独特的风压 风量曲线 下右图的红线所示 风扇散热示意图 M0 指零风阻时的风流量 P0 指风阻为无限大的时候的静态压力 更大的风扇直径或 者更高的转速用以提高风扇的容量 容量由其直径 扇叶的斜度还有转速 RPM 所决定 风 扇的噪音则受 RPM 和扇叶的斜度影响 一个确定了容量的风扇可以通过提高提高直径来降 低 RPM 和扇叶斜度 增大直径同时也降低也噪音 目前风扇的基本上可以分为两种类型 轴向型风扇 Axial fan 和辐射型风扇 离心鼓风 机 Centrifugal blower 轴向型风扇 轴向型风扇 技术成熟 成本较低 可以通过调节 RPM 来调节风量 气流有涡流 机壳的 阴影效应 占用体积大 存在气流的耗尽层 辐射型 离心鼓风机 风扇 辐射型 离心鼓风机 风扇具有薄的叶片 没有涡流 气流方向性好 气流密度较高 点用 体积小 技术较新 成本相对高 声学噪音受叶片的几何形状影响较严重 在笔记本中 由于空间不够 加上噪音的影响 辐射型风扇被普遍采用 而且也不能象台 式机中那样对着 CPU 吹 这样会将排出的热吹到其他元件上 如硬盘或电池 而且空间太 小 也不难形成对流 没有别的选择只有将风扇移至于主机旁边 如此便可排出热风并吸 入冷风来散热 热管散热 热管散热是一种利用相变过程中要吸收 散发热量的性质来进行冷却的技术 1963 年由美 国 Los Alamos 国家实验室的 G M Grover 发明了 并由 IBM 最初引入笔记本中 热管散热原理图 典型的热管是由管壳 吸液芯和端盖组成 将管内抽到的负压后充以适量的工作液体 使 紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封 管的一端为蒸发段 加热段 另一端为冷凝段 冷却段 根据需要可以在两段中间布置绝热段 当热管的一端受热时 毛细芯中的液体蒸发汽化 蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体 液体再 沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段 如此循环不已 热量由热管的一端传至另一端 散热动力示意图 热管适用的场合 1 在热源附近缺乏散热空间 2 需要从多个热源处进行有效的散热 3 在密闭的空间内进行散热 4 短时间大量散热 5 具有活动的部件 6 要求体积小并且质量轻的设备 热管散热技术在笔记本电脑中被广泛应用 以 IBM ThinkPad 最为常见 最近也开始走 入台式机中 笔记本中的热管 热端置于 CPU 上方的散热片上 散热板散热板 和台式机不同的是 笔记本中的散热片不可能做的那么厚 为了保证散热面积 一般是做 的薄而大 因此称之为散热板 将散热片作得如此大 就是希望能将笔记本电脑中处理器 的集中于一点的热量传递到整片散热片上 主机板的底部和上部 各有一块金属散热板 在 CPU 的位置 有协助散热的系统 接收来自处理器产生的热 并将它导入热管 这些高 热经由热管 沿着整块金属散热板加以传导 甚至在 LCD 背部也有一块散热板 协且散热 位于主机板上部的散热板 和键盘接触 热就会从键盘排出 热管收集由 CPU 散发的热量 并且带到散热板上 同时由一个风扇把冷却空气吹向散热片带走热量 含散热片与热导管的散热板 作用于显卡芯片上的散热片 这是 GF2 GO 图形卡 笔记本散热示意图 从前面的介绍 可以看出笔记本散热的基本形式 即 CPU 上覆盖的散热片收集由 CPU 散 发的热量 并且能过热管带到散热板上 同时由一个风扇把冷却空气吹向散热片带走热量 远端热交换为鳍状架构 提供最大散热面积 用风扇形成系统与 RHE 远端热交换 Remote Heat Exchange 间的导流 如果笔记型电脑的外壳用镁合金做成的 也可将 它作为散热板使用 拆机看看拆机看看 先看看几台笔记本的内部构造 强化对笔记本散热方式的感性认识 华硕华硕 T9 笔记本笔记本 CPU 散热采用了一块很大的铜质散热片 华硕为它取了个花俏的名字 动态热耗散技术 散热片包括一块位于 Pentium III 核心上方的镀铜片 另外还有不少薄铜片排列在散热 片上 用于把核心上的热量传递到散热片上再进行驱散 热管 巨大的散热板 CPU 上的铜质散热片 通过热管将 CPU 的热量传递到铜质鳍片上 SONY VAIO 笔记本笔记本 再看看超轻超薄的笔记本的散热 采用的是全美达的 Crusoe 处理器 低能耗 以牺牲性 能为代价的 内脏大全 留心看看散热部分 在显卡芯片上也有一块散热片 Crusoe TM5800 采用了 0 13 微米的制造工艺 核心体积大约减小了 37 5 在电压核 心的使用上也由旧体系的 1 1 1 6V 降至 0 9 1 3V TM5800 TM5500 的运行频率将定 为 667MHz 800MHz 800MHz 的耗电量为 5 5W 因此对于此类 CPU 最适宜作超轻超 薄的笔记本 可以看到散热部分做的相对简单 一块不大的散热片加上热管再配上一个水 平于主板的风扇 构成 CPU 的散热体系 形形色色的辅助散热形形色色的辅助散热 看了前面的介绍 大家应该对笔记本的散式有了一定的认识吧 为追求更高性能 笔记本 电脑专业生产厂商纷纷提出了自己的解决方案 如在传统的散热片 液体导管 风扇的组 合散热装置基础上 采用自动控制原理 利用温控风扇或降低 CPU 处理速度来保持机内的 温度 或使用分段散热 将互相联系和集成功能的程度降低到最低限度等方法 来提高系 统的可靠性 另外 使用导热性好的镁铝合金外壳技术也不失为解决笔记本电脑散热问题 的有效补充 散热孔散热孔 无论是主动散热还是被动散热 都需依靠热传递空气的流通 制造厂商使用的各种形式的 主动散热技术中都会在笔记本电脑机身的某个部分留下空气流通孔 这些孔有的在机身侧 面 有的在下面 稍微观察就会找到她们 电脑的稳定运作就全靠它们了 最重要的就是 不可以堵住散热孔 由于笔记本电脑机身小 方便携带 我们经常抱着它一不注意就会放 在柔软的东西上 如自己的双腿 床上 沙发上 从而堵住了散热孔 一段时间过后 使 用者会感到烫手 甚至当机 所以在日常使用中稍加注意避免以上情形发生就可以解决此 一问题 键盘对流散热键盘对流散热 键盘对流散热不失为一个很有创意的方法 我们知道 笔记本电脑很薄 当把键盘装到主 机板上时 键盘底部就会和主机板接触 于是 正好可以利用键盘底部将 CPU 产生的热种 量传导出去 在键盘的构造上 每个按键都需要 4 个孔才能够容纳 热量于是经由按键孔排出 当热空 气从按键孔排出时 冷空气就从按键孔流入 以取代热空气 由此可以看出 键盘对流散 热不仅充分利用了现有资源和环境 而且颇为有效 也许你还没有想到 连键盘也是一个 散热的窗口 你在敲键盘的时候 冷热空气的交换就在你的一敲一敲中完成了 有的笔记 本还增加了独到的底部导风槽设计 以增强其在底部的对流散热效果 键盘底板上密密麻麻的金属孔 智能温控系统智能温控系统 风扇应该尽量避免启动 当各类装置无法有效散热时 最后再启动风扇 散热风扇有两个 档 低风量和高风量 风扇的速度视处理器的温度而定 通常情况下 当系统温度达到 70 摄氏度时 风扇自动打开 当系统温度继续升高达到 90 摄氏度时 CPU 的工作频率将降 到额定频率的 1 4 如果系统温度降回到 80 摄氏度时 CPU 的工作频率恢复为额定工作 频率 系统温度继续下降到 60 摄氏度时 风扇自动关闭 这种智能温控系统不仅能够有 效的帮助笔记本电脑散热 而且为 CPU 提供了自我保护的能力 使整个系统会变得更加可 靠 寿命也更长 同时还可以节省机器用电 有效降低噪音 离心式温控风扇 冷板散热技术冷板散热技术 除了 IBM 的热管技术外 比较有特色的还有东芝笔记本电脑的冷 热板散热技术 东芝在 主板散热方面处于领先地位 后来又发明了新的方法 冷板方法 ColdPlate 散热效 率提高了大约 6 5 倍 使笔记本电脑散热问题得到缓解 冷板散热技术原理图 镁铝合金外壳技术镁铝合金外壳技术 使用导热性好的镁铝合金外壳技术也不失为解决笔记本电脑散热问题的有效补充 镁铝合 金外壳的热传导率远优于铝金属和工程塑料 在很大程度上减少散热扇和散热窗的数量 减少体积和重量 降低功耗和成本 现在大部分厂商的中高端产品都采用这种技术 金属框架金属框架 事实上 用金属做外壳对笔记本电脑散热有一定的作用 不过真正的散热主力来自主机内 部的金属框架 一些笔记本电脑内部采用了新型的 机体内镁铝合金框架 这种超轻量 高刚性合金框架的热传导率更高 它运用辐射均温热对流原理 能在系统一般运转及待命 状态下自然散热 省去由不必要的风扇运转造成电力损耗及噪音 同时也更进一步地提高 了系统的稳定性 由于笔记本电脑的内部构架更接近主机的发热源 因此采用新型的高导 热率金属材料做笔记本电脑的构架才是真正 由内而外 的散热 工艺更先进的专用工艺更先进的专用 CPU 工欲善其事 必先利其器 使用散热结构更严谨 功耗更小的专用 CPU 是保障笔记本 电脑散热问题的基础 良好的封装技术可以使芯片与主板良好接触 增大接触面积 使热 量能够通过 PCB 向四周扩散 芯片的功耗低 那么它所产生的热量就少 使用节能技术 在某一部件长时间不工作时关闭其电源 就可以进一步减少热量的产生 合理分布芯片在 主板上的位置 可以使热源分散开而不至于过分集中 热量就可以均匀地从各个方向向外 散失 0 18mm 制造工艺和笔记本电脑专用 MMO 超小封装模式使得笔记本电脑微处理器实现了体 积 发热 功耗更小的目标 现在 采用 0 18 微米铜工艺技术制造的 Intel 的 Moblie Pentium III Moblie Celeron 2 AMD 的移动型 Athlon 4 和 Transmeta 的 Crusoe 以及英特尔新推出 0 13 微米 Pentium Tualatin 全美达推出的 0 13 微 米的 Crusoe TM5800 CPU 都能使笔记本电脑更省 劲 这些节能的移动处理器在带 来更高性能的同时 将为有效解决散热问题开辟出一条新的途径 不过有的厂商为了降低 成本 也有采用台式 CPU 的 这会产生更大的热量而使笔记本电脑经常死机 大家在购买 时必须问清销售商 以免造成不必要的麻烦 必不可少的省电技术必不可少的省电技术 这是减少笔记本电脑热量产生的必要技术 现时笔记本电脑的省电技术有 Intel 的 SpeedStep 变频省电技术 以及新近的 Deeper Sleep 及 QuickStart AMD 的 PowerNow 技术以及 Crusoe 的 LongRun 能源管理技术 它们都能在很大程度上使笔记 本电脑发出更少热能及噪音 下面以 SpeedStep 技术为例作说明 SpeedStep 技术是一项创新性的技术 它可以让处理器在 2 种工作模式之间随意地切换 即通电状态时的最高性能模式 Maximum Performance Mode 和电池状态时的电池优 化模式 Battery Optimized Mode 所谓最高性能模式是指当笔记本电脑与交流电源 连接时 可提供与台式机近似的性能 而电池优化模式是指当笔记本使用电池时 会让笔 记本电脑的性能发挥与其电池使用时间之间达到最佳的平衡 如 Intel 推出的使用 SpeedStep 技术的 650MHz 和 600MHz 的处理器 当它们以最高性能模式运行时 可以 提供 650MHz 或 600MHz 的工作频率 而以电池优化模式运行时 处理器的工作频率是 500MHz SpeedStep 系统主要由自动电源识别系统和自动电压调整系统组成 其中包括系统 BIOS 终端用户接口软件 切换开关控制 ASIC 和芯片组 当笔记本电脑运行在电池优化 模式时 CPU 的电压为 1 35V 频率为 500MHz 这时 将笔记本电脑接到交流电源 在 小于 1 2000 秒的时间里 自动电源识别系统和自动电压调整系统将使 CPU 的电压自动增 加到 1 6V 频率按 CPU 的不同而分别提高到 600MHz 或 650MHz 由此不难看出 SpeedStep 技术能让 CPU 在最高性能模式和电池优化模式之间随意地切换或按用户的命 令进行切换 而性能切换时 SpeedStep 技术可将处理器的功率降低 40 同时仍保持 80 的最高性能 ACPI 高级配置和电源管理 使在某一部件或外设在一段时间内闲置时 暂时切断该部件 或外设的电源 以减少能耗 加上强化省电状态管理 自动休眠和挂起等措施 实现 CPU 低速运行 显示屏暂时关闭 硬盘暂时停转和电池智能监控等功能 降低了能耗 也可以 减少 CPU 产生更多的热量 电池的稳定性电池的稳定性 对笔记本电脑散热来说最关键的因素之一是电池的稳定性 虽说供电的稳定性对散热并非 有决定性的影响 但也不无裨益 科技的创新使得电池材料不断地升级换代 从镍氢电池 发展到锂离子电池再到锂聚合物电池 电池的稳定性在不断地增强 稳定的运转也使得处 理器散发的热量减少 目前 笔记本电脑的电池一般分为 2 种 主电池和副电池 也称为 第二电池或者备用电池 象 NEC Versa TXI 采用超轻型锂电池 标称容重 1900mAh 仅为一般笔记本电池容量的一半 必要时可以使用第二块电池 该电池可与光驱互换 将 连续作业时间延长 3 倍 同时 双锂电池的设计从另一个侧面可以使得系统的散热性能得 到解决 用户可以在一块电池使用一定时间之后换用第二块备用电池 笔记本散热的挑战笔记本散热的挑战 而随着 P4 M 逐步走向主流 配备 P4 M CPU 的笔记本的轻薄方面遇到了极大困难 我们 不能指望厂家使用更大更重的散热片 更强