LED灯具散热知识-非常有用

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） 0 3.5 100 2.8 200 2.3 300 2.0 400 1.8 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。 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: 功率转换器的功率密度越来越高，发热问题越来越严重，这种功率转换器的设计 摘要: 功率转换器的功率密度越来越高，发热问题越来越严重，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 的电模型更加重要，本文提出一种新的 Pspice 模型，可以利用它计算 MOSFET 芯片在瞬变过的电模型更加重要，本文提出一种新的 Pspice 模型，可以利用它计算 MOSFET 芯片在瞬变过 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 文介绍 MOSFET 的一种新的 PSPICE 等效热模型， 这个模型提供发热和电气参数之间的动态关文介绍 MOSFET 的一种新的 PSPICE 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。这里提出的模型建立了与许可的热环境的关系，例如，栅极驱动电路、负载、以及散热系。这里提出的模型建立了与许可的热环境的关系，例如，栅极驱动电路、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。由於决定功率损耗的参数参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於无法预先知差不齐，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。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)=Pd Zth(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 1 Zth(t) 瞬态热阻图 1 Zth(t) 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： BVDSS RDS(on) STP14NK50ZFP (TO-220FP) 500V 0.38 在很宽的温度范围上进行了测量，测量结果如图 7 示。 图 2 不同温度 Tj 时的输出特性曲线(实测结果)图 2 不同温度 Tj 时的输出特性曲线(实测结果) 图 3 在不同的 Tj 时的输出性曲线(模拟结果)图 3 在不同的 Tj 时的输出性曲线(模拟结果) 图 4 电路图图 4 电路图 图 5 在 10V 时的 RDS(on) (模拟结果)图 5 在 10V 时的 RDS(on) (模拟结果) 图 6 在 10V 时的 RDS(on) (实测结果)图 6 在 10V 时的 RDS(on) (实测结果) 图 7 在 10V 时的 VDS(on) (模拟结果)图 7 在 10V 时的 VDS(on) (模拟结果) 图 8 在 10V 时的 VDS(on)（实测结果）图 8 在 10V 时的 VDS(on)（实测结果） 图 9 (从上至下)： 图 9 (从上至下)： A) Tj 随时间的变化 A) Tj 随时间的变化 B,C) 漏极电流 B,C) 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 三、 传热过程中基本问题与传热机理 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=nd L S=nd 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=tm/(1/K) Q/S=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： 在采用特征数关联式时，必须注意： 应用范围。特征数关联式是严格应用在一定范围内的公式，决不应随意推广。 定性温度。计算特征数式中各特征数时，其所含的物性的数值应根据访式所指定的温度来确定。 此温度称为定性温度。一般是选取对传热过程起主要作用的温度人微言轻定性温度。 定性尺寸。计算特征数式中含几何尺寸的特征数时，也是其指定的固定边界的某一尺寸，称为定 性尺寸。定性尺寸一般也是选取对流体流动和传热有决定影响的固体表面尺寸。例如管内流动传 热用内径，管外对流传热用外径，套管间隙内的传热用当量直径等。 二流体无相变时的对流表面传热系数关联式 （一） 流体在管内强制 （二） 流体在管外强制对流 （三） 自然对流表面传热系数 三流体有相变时的表面传热系数关联式 沸腾和冷凝时的传热发生有相变的传热。在沸腾和冷凝时必然伴随着流体的流动，故沸腾和冷凝 传热同样发生对流传热。 （一） 蒸汽冷凝时的对流传热 1 蒸汽冷凝方式 蒸汽与低于其饱和温度的壁面相接触，即冷凝成液体附着于壁面上，并放出冷凝潜热。蒸汽在壁 面上冷凝可分滴状冷凝和膜状冷凝两种情况。 （二） 液体沸腾时的对流传热 液体沸腾的主要特征是汽泡的形成及其运动。 1 液体沸腾的过程 根据传热温度的变化，液体沸腾传热过程要经历如下四个阶段： 自然对流阶段 泡核沸腾阶段 膜状沸腾阶段 稳定膜状沸腾。 2 影响沸腾传热的因素 液体沸腾传热的上述各阶段中，泡核沸腾在工业上具有重要的意义。泡核沸腾的主要特点是汽泡 在加热面上形成和发展，并脱离表面而作上升运动。因此，凡是影响汽泡生成强度的因素，均能 影响沸腾表面传热系数 3 液体沸腾表面传热系数 科友热传技术 理想中的散热理想中的散热 这是各材料间热传导能力的比较图表。 设计散热器的基本概念，可以精简成一个数学方程式，它代表了排除外界因素后，两个导体间的热能对流： Iw = ?x (T1-T2) x (I/A) 我们一个个简单说明吧：Iw 代表两个不同物体（材料）间，若有温度上的差异（T1 与 T2）存在时的热能 对流量。I 代表两的物体间的距离，而 A 则代表表面积。Gamma 代表的是热传导系数。大致看一下这个方 程式，您就会了解理想中的散热器设计应该要有怎样的品质了。温度差距（T1-T2）是造成热对流的因素， 另外它也会大大的被材料的热传导系数（gamma）以及散热表面积所影响。我想这些应该充分说明了基本 的概念了吧？ 科友热传技术 风冷散热器风冷散热器 对于现在的电脑产品而言，无论是预算上看，还是从实际散热效果上看，风冷散热是最 好的方式。 对于现在的电脑产品而言，无论是预算上看，还是从实际散热效果上看，风冷散热是最 好的方式。 (1) 影响风冷散热器散热效果的五大要素影响风冷散热器散热效果的五大要素 A散热风扇散热风扇 B散热片散热片 C导热介质导热介质 D扣具扣具 E环境（温度）环境（温度） (2) 影响风扇性能的确定项目影响风扇性能的确定项目 A风量风量 B风压风压 C转速转速 (3) 影响散热片性能的确定项目影响散热片性能的确定项目 A 导热系数导热系数 B 受风面积受风面积 (4) 影响导热介质性能的确定项目影响导热介质性能的确定项目 A 导热系数导热系数 B 热阻热阻 C 填充能力填充能力 (5) 影响扣具性能的确定项目影响扣具性能的确定项目 A 应力分布与大小应力分布与大小 B 重心位置重心位置 (6) 风冷散热原理风冷散热原理 从热力学的角度来看，物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在时，就必然发生 热从高温处传递到低温处 从热力学的角度来看，物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在时，就必然发生 热从高温处传递到低温处 ，这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象。而热传 递的方式有三种：辐射、对流、传导，其中以热传导 ，这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象。而热传 递的方式有三种：辐射、对流、传导，其中以热传导 为最快。为最快。 热源（热源（CPU 或其它部件）将热量以热传导方式传至导热介质，再由导热介质传至散热片 基部，由基部将热量传至 或其它部件）将热量以热传导方式传至导热介质，再由导热介质传至散热片 基部，由基部将热量传至 散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散 发到空气中。风扇不断向散热片吹入冷空气，流出热 散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散 发到空气中。风扇不断向散热片吹入冷空气，流出热 空气，完成热的散热过程。空气，完成热的散热过程。 风冷散热器的热计算风冷散热器的热计算 计算公式 A.传热量 B.散热量 C.热阻 说明 Q1：传热量 K：传热系数 T1：平均传热温差 Q2：散热量（单位：W） G：散热气流量（单位：kg/s ） Cp：比定压热容（单位：kJ/kg ） qv ：需求风量（单位：m3 /min） ：气流密度（单位：kg/m3 ） T2：气流温差（单位：） R1：散热片与环境热阻（单位： /W） 8 揭开散热鳍片的神秘面纱：基础热学揭开散热鳍片的神秘面纱：基础热学 时间：11/17/2002 9:44:03 PM 来源：蜂鸟工作室 阅读 177 次 1、序論：1、序論： 隨著電腦中央處理器的時脈不斷成長，中央處理器產生的熱量也越來越驚人，古早的中央 處理器不需要散熱片，而現今的產品則是不安裝散熱片可能會燒毀，台灣被稱為資訊硬體 的製造王國，電腦的 DIY 風氣極為盛行，而電腦硬體的超頻也跟著大行其道，為了將中央 處理器的時脈能夠跑的更高，廠商跟著不斷的推出各式各樣的散熱器，網路上千奇百怪的 超頻理論紛紛出籠，在本文中不討論如何進行超頻，而是針對目前市面上最常見的鰭片結 構之空冷散熱器，嘗試以經過學術驗證的流體力學和熱傳學理論，來探討其設計與性能之 優劣，並希望能夠提供讀者一些正確的觀念，並導正一些常見的散熱謬論。 致謝: 感謝 sarion 先生在文字、文意上的斟酌與校稿 2、理論基礎：2、理論基礎： 所有物體的熱傳可以分成三種：熱傳導、熱對流及熱輻射。一般而言，熱輻射出去的能量 太小，所以可以忽略不計。因此在散熱鰭片裡，最重要的兩個熱傳機制就是熱傳導及熱對 流。在一般電腦的散熱裝置裡，熱傳導的重要性並不亞於熱對流，因為這是能否將晶片產 生的能量傳送到鰭片的重要因素，但是想要降低溫度，熱對流就佔有很大的影響要素。因 為能量是由流體靠著對流的現象無論是強制對流或是自然對流，把晶片產生的能量給帶 走。 3、比熱及熱傳導係數：3、比熱及熱傳導係數： 比熱跟熱傳導係數這是兩種不同的量值，但是很多人卻將他們給搞混了。 比熱的定義為：單位質量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一度 K ()， 而熱傳導係數的定義為：每單位長度、每度 K，可以傳送多少瓦數的能量()。 簡單說來，比熱的定義是指出整體內能的變化，但是熱傳導係數卻是傳送能量的能力。常 看到某些硬體測試文章的作者，在文章中提到：某材料吸熱快散熱慢，所以如何如何， 筆者看到吸熱快散熱慢這六個字實在大惑不解，翻遍了手上有的 Heat Transfer 書籍， 甚至是 Journal of Heat Transfer、Journal of Heat and Mass Transfer 等期刊也沒有 看過類似的理論。 抱持吸熱快散熱慢理論的硬體測試文章作者，多是觀察了幾個散熱器的溫度升降狀態就做 出某某材料會吸熱快散熱慢的推論，殊不知吸熱快散熱慢最多只能用來描述某散熱片在某 特定時間下的狀態， 但是將吸熱快散熱慢當成是某種材料的特性，那就犯了常見以特例論 證通則的邏輯謬誤。 由最基本的能量守恆觀念來看，一個系統如果吸熱快散熱慢，這表示在單位時間內進入此 系統的熱能一直大於離開此系統的熱能，此系統內的熱能將不斷的增加，系統溫度就會上 升，如果吸熱快散熱慢是這個系統的特性的話， 這個系統會出現溫度不斷上升，直到整個 系統無法負荷更多熱能而整個燒毀的狀況。 但是事實不會出現這樣的狀況，因為吸/散熱快慢跟熱傳導係數、熱對流係數及溫度梯度有 關聯，吸/散熱快慢是不斷在變化的，沒有一個系統會有吸熱快散熱慢的特性，假設一個系 統 A 原本處於向系統 B 吸取熱快，將熱散到系統 C 慢的情況下，系統 A 溫度會不斷的上升， 如此 A 與 B 間溫度梯度變小，吸熱就會變慢，A 與 C 間溫度梯度則變大，散熱就會變快， 因此系統 A 會由吸熱快散熱慢的狀態逐漸變成吸/散熱速度相等的狀態， 一直到穩態時就會 變成吸散熱速度相等，系統 A 的溫度不會變化。 4、長條型鰭片和圓柱型鰭片：4、長條型鰭片和圓柱型鰭片： 在散熱器本身的熱傳裡，有這一個相當重要的因素：流體流動。而長條型鰭片跟圓柱型鰭 片的差距，就是流體的流動。在圓柱型鰭片周圍，因為流體的阻力較小，流體容易流動， 也因此容易帶走在圓柱的能量，加強了對流的效果，因此在相同面積的散熱鰭片裡，圓柱 型鰭片都會比長條型鰭片有著更好的熱傳效果。這一方面的應用實例如：Swiftech MC462。 圓柱型鰭片：Swiftech MC462 長條型鰭片： 差異性。 5、散熱器底座厚薄? 熱阻的概念：5、散熱器底座厚薄? 熱阻的概念： 散熱器底座對於熱傳是否有影響? 有很多人會人為沒有。其實這是因為現階段鰭片使用的 金屬的熱傳導係數較高(鋁、銅)，外加厚度不明顯，所以影響不容易看出來。有興趣的人 可以做一個實驗，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。如此一開機，筆者幾乎可以保證，不需要太久就會當機了。為 什麼? 因為鐵塊的熱傳導係數雖然也頗高，但是在鐵塊內部還是會有溫度梯度的存在。雖 然鐵塊內部可以容納頗多的能量，但是上層的散熱鰭片不能得到較高的溫度梯度，使得熱 逸散的能力近乎沒有，而底部的晶片一直在傳送能量給鐵塊，導致兩端的溫差越來越大， 終於突破晶片可以忍受的最高溫度而導致當機。而這塊鐵塊就是熱阻。當然也可以把這鐵 塊換成寶麗龍，或是空氣，這當機的速度就會越明顯。 講到這邊筆者想就會有很多人可以舉一反三，了解扣具的用意在哪了。扣具不只是將鰭片 固定在晶片上面，他的作用也是降低熱阻。熱阻跟壓力也成逆相關。壓力越大熱阻越小。 那壓力越大不就越好? 假如晶片可以承受，那就很完美，但是這世界卻不是這樣完美的。 因此就有人在晶片跟鰭片之間塗抹散熱膏來填補晶片跟鰭片之間的空隙，降低熱阻。當然， 如果晶片跟鰭片兩接觸平面是完美的平面，那熱阻可以說是沒有，也因為世界的不完美， 所以無法達成完美的接觸平面，所以就有人會特地替鰭片作提高平面度的工作。這些都是 為了讓熱阻降低，增加晶片跟鰭片之間的熱傳。不過，筆者建議不要太過火了，因為這項 工作只達成了熱傳導，卻達不成熱逸散。 但這邊卻有一特殊的應用：銅底。為什麼要在鰭 片底部加一薄銅片?原因很簡單，因為銅的熱傳 導係數比鋁高，所以可以更均勻的將能量傳送到 鋁鰭片的四周外圍鰭片。這是因為鋁本身的熱傳 導係數不是無限大，所以在鋁鰭片裡面會有溫度 梯度的存在：中心溫度較高，四周溫度較低。然 而熱傳的一個重要因素就是溫度梯度，如此一來 雖然中心有著較高的熱傳效果，但是鰭片四周卻 比中心的熱傳效果差，導致整體熱傳效果的減 低。因此使用銅片來解決這溫度梯度的不均勻問 題。雖然銅片增加了熱阻，但是增加了一點點的 熱阻卻大大加強了整體鰭片的溫度均勻分布，可 以說得多於失。 除了銅底，也有人使用銅柱ex：下圖的 ARKUA 7528，當然這也是相同的原理。但是使 用銅柱時，對於氣流的處理必須更加注意，不然軸流風機的氣流一出來馬上就被銅柱給擋 回去，形成迴流造成能量的損耗。 6、高頻噪音：風速對熱傳的影響6、高頻噪音：風速對熱傳的影響 筆者認為大部分的人都知道風速越大，熱傳效果越好。理論上如此，實際上也如此 考慮 直接吹入晶片的進氣方式，不考慮其他方式，因為其他方式不一定會有比較好的結果，這 還得考慮迴流區對於鰭片的影響 。因為風速越高，熱對流效應越強烈。但是這有幾個問 題， 是否一定只有高風速才會對熱傳有絕對性的影響? 是否只有高頻噪音才會帶來高風量? 風量是不是可以毫無限制的提高? 的確，風速對於熱傳的影響可以說接近絕對：在一定的 速度之下。為什麼? 大家想想太空梭的隔熱磚就知道了。當流體磨擦所損耗的能量大於所 能帶走的能量之後，那麼就會見到鰭片溫度越來越高，甚至融化。不過這種終極的速度已 經在音速以上了以空氣而言，其他流體不一定。這也就是說可以不用考慮這樣的影響。 如果，能以其他比空氣黏滯性係數還低的氣體來當作進氣，那麼就能以較低的風速得到一 個一樣的散熱結果。此外，改變氣體密度，渠道假設 CPU 散熱裝置為一矩形渠道寬度也 能得到一樣的結果。 歸納這些考慮因素， 可以得到一個無因次化就是把所有的質量、 長度、 時間等因次項給消掉的純量值參數：Reynolds number(Re)。 這就是影響熱傳最主要的因 素。一般廠商都是直接增加 Reynolds number 來改善熱傳，因為這最簡單，最不需要花時 間設計鰭片。Ex:冰天 X 地 那是否只有高頻噪音才能帶來高風量? 這答案一定是否定的。大家想想，電風扇的風量夠 大吧? 那種掛在天花板的大風機風量也很足夠，但是轉速就是很慢。這就是作用面積的影 響。假如使用一個類似漏斗的東西，將大風扇的風收集轉成小面積吹入鰭片裡，如此一來 不但能降低噪音，也能得到足夠或是更高的風量，而這就是大轉小風罩的原理：因為流量 是跟面積和速度成正比。 還有一個問題就是風速是否能毫無限制的增加? 假如風扇不變大，單純使用軸流風扇的情 況下，筆者可以說這是不可能的。這就得考慮到另外一個觀念：邊界層分離。什麼是邊界 層分離現象? 筆者想大家都有看過在河流裡面的樹枝，當水流流速達到一定程度時，樹枝 的後半表面會開始形成一個渦流的現象不是背後，是表面，而這個現象就是邊界層分離。 當風扇轉速達到一定程度時，空氣也會在葉片表面形成此現象，當此現象越來越嚴重時， 就會產生失速的現象，這也就是說風扇再怎樣輸入能量得到更高的轉動都不能得到更高的 風量，甚至會得到反效果。這也就是說不改變鰭片外型，鰭片的熱傳能力是有上限的。 7、鰭片長度的影響? 鰭片效率的概念：7、鰭片長度的影響? 鰭片效率的概念： 鰭片是否越長越好? 理論上是，但是必須考慮到他的效率問題。因為這跟成本有很大的關 聯。然而要如何考慮鰭片效率? 這方面的數學型式頗重，這篇不是學術性的報告，所以筆 者只指出他的相關性參數：熱對流係數、鰭片長度、整體面積、熱傳導係數，周長。因為 數學模式並不簡單，所以筆者並不想詳細介紹。一般說來長度越長，鰭片效率越差，熱傳 導係數越高，鰭片效率越好。這也就是說使用銅做成的鰭片會比同造型的鋁鰭片有著更好 的效率，面積越大的鰭片也會有較好的鰭片效率。 8、熱傳的原罪：熱邊界層的概念：8、熱傳的原罪：熱邊界層的概念： 什麼是熱邊界層? 簡單的說，就是流體在物體表面產生對流效應時，因為流體的熱傳導係 數很差，接觸物體表面的流體無法順利的將能量傳送給上層的流體，所以流體和物體表面 作用出一層溫度較其他流體高的流體，而這層流體就稱作熱邊界層。因為這層流體因為溫 度較高，阻礙了較冷流體和物體表面的對流，降低了熱傳的效果。這代表什麼意思呢? 筆 者想用抽風跟吹風的差別會比較容易瞭解他的內涵：為了增強鰭片的散熱效果，建議將最 低溫的流體直接流入最高溫的鰭片上。因為熱邊界層的成長，會導致熱傳效果的降低，如 果將最低溫的流體流進最低溫的鰭片上，這樣就會導致流體流到在最高溫鰭片底部，因為 熱邊界層的影響而阻隔了較低溫流體跟高溫鰭片的熱交換，進而降低了熱傳的效果。 9、實戰篇：9、實戰篇： 在眾多的鰭片中，要如何選購一顆可以勝任高發熱晶片的散熱裝置呢?其實，這並不難，只 要使用熱傳學的觀點來看，好與不好幾乎一眼就可以看穿了。首先，拿到一顆鰭片，我們 必須先考慮流體在鰭片內部好不好流動? 光這一點就可以幾乎剔除了現階段市面上可以看 到的所有鰭片了。因為密密麻麻的矩形條狀鰭片跟放射性鰭片，甚至是圓柱型鰭片相比， 流體在矩形條狀鰭片裡的流動性實在是太差，所以只好瘋狂的增加風量，增加面積來解決 這問題。再來，考慮材質，因為這對於鰭片的效率有著相當高程度的影響，這也是為什麼 在高發熱晶片的世界裡，鋁製鰭片越來越難存活的原因。考慮鰭片表面的光滑性，粗操的 表面可以得到較好的效果，考慮風扇的風量，使用高風量的鰭片會有著較好的散熱效果。 考慮整體溫度的均勻性，假如銅鰭片底部加裝銀底如同鋁鰭片底部加裝銅底一般，這樣也 會有較好的效果。 此外，假如鰭片上方有風罩的設計，這對於散熱是有幫助的，氣體的流動方向，一般而言， 抽出氣體的方式會比吹入氣體的方式有著較佳的散熱效果。但是一使用抽出氣體的方式來 散熱，氣體的流動性會變得相當重要，因為抽出氣體會使得鰭片周圍變成負壓區，但是負 壓區很小，造成能流體有在流動的區域也相對的變小，假如沒有控制好流體的流動，會導 致底部的高溫區域得不到氣體的流動，這樣是得不償失的。 ex：採風罩設計的散熱器： 10、結論：10、結論： 寫了這篇，只是希望大家能得到較正確的熱傳觀念，不要被沒受過正統的熱流教育，滿腦 子只有想像的幾位硬體文章作家所誤導。流體力學跟熱傳學的世界裡，經驗常常是會出差 錯的，因為他們只能看到表面，卻看不到其中所內涵的道理。這就像是大家看到鳥揮動翅 膀就可飛行，但是自己怎樣的揮動翅膀就是飛不起來一樣。因為他們只看到表面，卻沒看 到鳥類為了飛行所達成的演進，及其中流體的流動，利用上升氣流的幫助等力學原理。 此外筆者省略了熱管及層流、紊流對於熱傳上的影響及其不同，熱管是因為筆者接觸的不 多，怕產生誤導而省略，層流及紊流是因為內涵的數學觀念更多，講下去睡著的人可能有 一大半了。 11、參考書籍：11、參考書籍： 1. Bruce R. Munson, Donald F. Young, Fundamentals of Fluid Mechanics, 2nd edition, John Wiley Tc 89.53 C 测试时间 1H05MIN Rca(c/w) 0.684 纯铝散热片：铝挤型与其它相同 长：60MM 中间刨一 6.5MM 沟放扣具， 铜厚度 3.0MM， 铜片用四颗螺 钉锁上,中间涂导热膏. 11 1降温才是硬道理 散热能力考查的是 CPU 散热器综合实力的指标， 如果使用散热器后， 它不能将 CPU 温度 降 到最大允许温度以下，无论多么美丽的外表或多么先进