嵌入式电路板热管理解决方案

来源：Digikey
作者：Tawfeeq Ahmad

边缘处理增多、性能提高以及嵌入式平台小型化导致功耗和发热增加，从而产生了热点。热应力会显著降低嵌入式系统的性能，甚至导致整个系统瘫痪。长期暴露在过热的环境中也会缩短电子元器件的使用寿命。

了解热管理技术对于使设备保持最佳工作状态至关重要。电子行业的发展促使人们需要创新的热管理技术来提高系统可靠性和性能。根据 Market Research Future 的调查，到 2030 年，全球热管理市场规模预计将达到 203 亿美元，2022 年到 2030 年的复合年增长率为 8%。

不仅是 FPGA，各种电子产品在运行过程中都会产生热量，因此散热配件至关重要。适当的热管理对于维持这些设备的性能、可靠性和长期寿命必不可少。以下是关于散热配件为何对一系列产品如此重要的推论：

1.微处理器和 CPU：
发热：CPU（尤其是在高性能计算机和服务器应用中）会因密集的计算任务而产生大量热量。
散热配件：散热器、散热膏和冷却风扇对于散热、防止热节流和确保性能稳定至关重要。

2.图形处理器 (GPU)：
功耗高：GPU（尤其是在游戏、人工智能和数据处理应用中）消耗大量电力并产生巨大热量。
热管理：为了保持最佳温度、防止过热和维持高性能，需要采用大型散热器、风扇等冷却解决方案，有时还需要采用液冷方案。

3.电源单元 (PSU)：
散热：电源需要将交流电转换为直流电，此过程涉及大量能量损耗，因此会产生热量。
冷却解决方案：使用风扇的主动冷却方法和使用散热器的被动冷却方法对于保持电源的效率和长期寿命至关重要。

4.存储器模块（RAM、DRAM）：
运行稳定性：高速存储器模块会产生热量，如果不加以控制，可能会导致数据损坏或系统不稳定。
散热配件：使用均热板和冷却风扇进行散热，可保持数据完整性和速度。

5.网络设备（路由器、交换机）：
连续运行：网络设备经常全天候运行，导致持续发热。
冷却要求：散热器、风扇（有时还需要采用环境冷却措施，例如在服务器机房内安装空调）对于确保性能稳定和防止发生故障必不可少。

6.嵌入式系统：
紧凑设计的挑战：嵌入式系统通常在散热不佳的受限环境中运行。
热解决方案：使用定制散热器、导热垫和带冷却功能的专用机箱可管理这些紧凑型系统中产生的热量，确保工业和汽车应用中的可靠性。

7.移动设备（智能手机、平板电脑）：
散热限制：移动设备结构紧凑，散热空间有限，但其运行的高性能处理器和电池会产生热量。
创新冷却技术：采用热节流、石墨均热板和先进材料等技术可在不增加器件尺寸的情况下管理热量。

8.电池和电力储备：
安全性和长期寿命：电池（尤其是电动汽车和大容量存储系统中的电池）在充放电过程中会产生热量。
热管理：冷却系统（包括液体冷却、热管理系统和耐热材料）对于防止过热至关重要，过热会导致电池寿命缩短，甚至出现危险情况。

9.电信设备：
持续热负荷：基站、天线和其他电信设备在运行过程中会持续发热。
冷却必需品：散热器、风扇和气候控制型机柜对于维持设备可靠性和服务可用性必不可少。

10.高性能计算 (HPC) 系统：
极端热量输出：用于科学研究、人工智能和大数据分析的 HPC 系统涉及密集的计算集群，会产生大量热量。
先进的冷却系统：液体冷却、浸入式冷却和精密的空气冷却系统对于管理热量和确保不间断高速运行至关重要。

不仅是 FPGA，各种电子产品都离不开散热配件。这些配件在散热、防止过热和确保设备可靠高效运行方面发挥着重要作用。如果不进行适当的热管理，电子产品就会出现性能下降、不稳定的情况，甚至可能发生灾难性故障。热解决方案的选择取决于产品的具体要求，包括功耗、尺寸和工作环境。

嵌入式解决方案中常见的散热技术

随着系统变得越来越小、功能越来越强大，散热技术比以往任何时候都更加重要。设计人员可以使用多种方法来为元器件和 PCB 散热，常见的机制包括：

散热器和冷却风扇 - 散热器是大型表面导热金属部件，可充当被动式热交换器，通过传导将热量散发到周围空气中。在散热器上安装冷却风扇有助于更快、更有效地散热。这种组合是最常见、最有效的嵌入式系统冷却方法之一，尤其是在气流有限的环境中。


图 1：安装这种带冷却风扇的散热器可帮助元器件散热。（图片来源：iWave）

热管集成 - 热导管是高温应用中使用的冷却装置。典型的热管内含可吸热、汽化并沿管道流动的流体。在冷凝器端，蒸气变回液体，以此循环往复。热管效率高，可远距离传热，是紧凑型高密度电子设备的理想之选。

均热板 - 均热板具有大而平坦的表面，通常直接压在另一个大而平坦的表面上。这种器件可将热量从较小的元器件传递到较大的金属表面。对于必须承受剧烈冲击和振动或安装在密封容器内的器件而言，均热板是理想之选。其可为加固和密封的嵌入式系统提供强大的热管理解决方案。

热电冷却器 (TEC) - 热电冷却器非常适合元器件温度必须保持恒定的系统。高功率耗散处理器通常结合使用 TEC、空气冷却和液体冷却装置，以超越传统的空气冷却极限。TEC 可将元器件冷却到环境温度以下，从而提供精确的温度控制。

热通孔 - 热通孔阵列分布在铜填充区域并靠近电源。在这种方法中，热量从元器件流向铜区，并通过空气从通孔中散失。热通孔通常与导热垫一起用于电源管理模块和元器件，以增强 PCB 的导热性。

液冷系统 - 液体的传热速度是空气的四倍，因此可在更小的解决方案中实现更高的散热性能。液冷系统包括一个与热源连接的冷却板或冷却盒、一个用于循环液体的泵或压缩机，以及一个用于安全吸热和散热的热交换器。液冷对于大功率应用和高密度封装的电子组件尤为有效。

iWave 的热解决方案

iWave 的机械工程师专家团队根据产品的特定热特性设计散热器、风扇散热器和机箱。他们利用热模拟软件帮助工程师确定最合适的冷却方法，并了解相关热参数，最终提高产品的整体可靠性。

· 热流模式分析

利用 Ansys Icepak 等工具，iWave 工程师可以模拟设备内的热流模式。这种分析有助于确定热点，优化冷却元器件的放置。通过了解热量如何在系统中流动，工程师可以设计出更有效的热管理解决方案。

· 定制散热器设计

iWave 设计定制散热器，以满足每个项目的独特需求。设计过程包括根据表面积和材料特性计算理论散热值。然后，工程师会使用模拟软件对这些设计进行测试，以确保它们能在各种工作条件下提供足够的冷却效果。

· 有源器件的冷却方法

在设计阶段还要考虑主动冷却方法，例如集成 TEC 和冷却风扇。iWave 会对每种方法的优势和局限性进行评估，从而针对每种应用选择最高效、最具成本效益的解决方案。

· 适用于所有外形尺寸的热解决方案

iWave 为所有外形尺寸提供热解决方案，包括 OSM、SMARC、Qseven 和 SODIMM。这些解决方案均采用铝合金 AL6063，因为其具有出色的材料特性。铝是一种极佳的导体，无毒、可回收且非常耐用，因此非常适合从元器件中传递热量。

通过使用内部热解决方案，产品设计师可以消除工程延误、现场故障和产品迭代，从而降低实施成本。减少器件散发的热量可以提高效率和可靠性，确保产品的长期寿命。

结语

随着嵌入式系统的复杂性和功率密度不断提高，先进的热管理技术必不可少。从散热片和冷却风扇到液冷系统和热通孔，通过采用各种散热方法，设计人员可确保其设备提供最佳性能和可靠性。iWave 等公司利用先进的模拟工具和定制设计，针对产品的特定需求提供专门的热解决方案，以应对现代电子产品所面临的挑战。