作者：Tawfeeq Ahmad

邊緣處理增多、性能提高以及嵌入式平臺小型化導致功耗和發(fā)熱增加，從而產(chǎn)生了熱點。熱應力會顯著降低嵌入式系統(tǒng)的性能，甚至導致整個系統(tǒng)癱瘓。長期暴露在過熱的環(huán)境中也會縮短電子元器件的使用壽命。

了解熱管理技術(shù)對于使設(shè)備保持最佳工作狀態(tài)至關(guān)重要。電子行業(yè)的發(fā)展促使人們需要創(chuàng)新的熱管理技術(shù)來提高系統(tǒng)可靠性和性能。根據(jù) Market Research Future 的調(diào)查，到 2030 年，全球熱管理市場規(guī)模預計將達到 203 億美元，2022 年到 2030 年的復合年增長率為 8%。

不僅是 FPGA，各種電子產(chǎn)品在運行過程中都會產(chǎn)生熱量，因此散熱配件至關(guān)重要。適當?shù)臒峁芾韺τ诰S持這些設(shè)備的性能、可靠性和長期壽命必不可少。以下是關(guān)于散熱配件為何對一系列產(chǎn)品如此重要的推論：

1.微處理器和 CPU：

• 發(fā)熱 ：CPU（尤其是在高性能計算機和服務器應用中）會因密集的計算任務而產(chǎn)生大量熱量。
• 散熱配件 ：散熱器、散熱膏和冷卻風扇對于散熱、防止熱節(jié)流和確保性能穩(wěn)定至關(guān)重要。

2.圖形處理器 (GPU)：

• 功耗高 ：GPU（尤其是在游戲、人工智能和數(shù)據(jù)處理應用中）消耗大量電力并產(chǎn)生巨大熱量。
• 熱管理 ：為了保持最佳溫度、防止過熱和維持高性能，需要采用大型散熱器、風扇等冷卻解決方案，有時還需要采用液冷方案。

3.電源單元 (PSU)：

• 散熱 ：電源需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，此過程涉及大量能量損耗，因此會產(chǎn)生熱量。
• 冷卻解決方案 ：使用風扇的主動冷卻方法和使用散熱器的被動冷卻方法對于保持電源的效率和長期壽命至關(guān)重要。

4.存儲器模塊（RAM、DRAM）：

• 運行穩(wěn)定性 ：高速存儲器模塊會產(chǎn)生熱量，如果不加以控制，可能會導致數(shù)據(jù)損壞或系統(tǒng)不穩(wěn)定。
• 散熱配件 ：使用均熱板和冷卻風扇進行散熱，可保持數(shù)據(jù)完整性和速度。

5.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機）：

• 連續(xù)運行 ：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備經(jīng)常全天候運行，導致持續(xù)發(fā)熱。
• 冷卻要求 ：散熱器、風扇（有時還需要采用環(huán)境冷卻措施，例如在服務器機房內(nèi)安裝空調(diào)）對于確保性能穩(wěn)定和防止發(fā)生故障必不可少。

6.嵌入式系統(tǒng)：

• 緊湊設(shè)計的挑戰(zhàn) ：嵌入式系統(tǒng)通常在散熱不佳的受限環(huán)境中運行。
• 熱解決方案 ：使用定制散熱器、導熱墊和帶冷卻功能的專用機箱可管理這些緊湊型系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，確保工業(yè)和汽車應用中的可靠性。

7.移動設(shè)備（智能手機、平板電腦）：

• 散熱限制 ：移動設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，散熱空間有限，但其運行的高性能處理器和電池會產(chǎn)生熱量。
• 創(chuàng)新冷卻技術(shù) ：采用熱節(jié)流、石墨均熱板和先進材料等技術(shù)可在不增加器件尺寸的情況下管理熱量。

8.電池和電力儲備：

• 安全性和長期壽命 ：電池（尤其是電動汽車和大容量存儲系統(tǒng)中的電池）在充放電過程中會產(chǎn)生熱量。
• 熱管理 ：冷卻系統(tǒng)（包括液體冷卻、熱管理系統(tǒng)和耐熱材料）對于防止過熱至關(guān)重要，過熱會導致電池壽命縮短，甚至出現(xiàn)危險情況。

9.電信設(shè)備：

• 持續(xù)熱負荷 ：基站、天線和其他電信設(shè)備在運行過程中會持續(xù)發(fā)熱。
• 冷卻必需品 ：散熱器、風扇和氣候控制型機柜對于維持設(shè)備可靠性和服務可用性必不可少。

10.高性能計算 (HPC) 系統(tǒng)：

• 極端熱量輸出 ：用于科學研究、人工智能和大數(shù)據(jù)分析的 HPC 系統(tǒng)涉及密集的計算集群，會產(chǎn)生大量熱量。
• 先進的冷卻系統(tǒng) ：液體冷卻、浸入式冷卻和精密的空氣冷卻系統(tǒng)對于管理熱量和確保不間斷高速運行至關(guān)重要。

不僅是 FPGA，各種電子產(chǎn)品都離不開散熱配件。這些配件在散熱、防止過熱和確保設(shè)備可靠高效運行方面發(fā)揮著重要作用。如果不進行適當?shù)臒峁芾恚娮赢a(chǎn)品就會出現(xiàn)性能下降、不穩(wěn)定的情況，甚至可能發(fā)生災難性故障。熱解決方案的選擇取決于產(chǎn)品的具體要求，包括功耗、尺寸和工作環(huán)境。

嵌入式解決方案中常見的散熱技術(shù)

隨著系統(tǒng)變得越來越小、功能越來越強大，散熱技術(shù)比以往任何時候都更加重要。設(shè)計人員可以使用多種方法來為元器件和 PCB 散熱，常見的機制包括：

*散熱器和冷卻風扇 - *散熱器是大型表面導熱金屬部件，可充當被動式熱交換器，通過傳導將熱量散發(fā)到周圍空氣中。在散熱器上安裝冷卻風扇有助于更快、更有效地散熱。這種組合是最常見、最有效的嵌入式系統(tǒng)冷卻方法之一，尤其是在氣流有限的環(huán)境中。

*圖 1：安裝這種帶冷卻風扇的散熱器可幫助元器件散熱。（圖片來源：[iWave]( *

*熱管集成 - *熱導管是高溫應用中使用的冷卻裝置。典型的熱管內(nèi)含可吸熱、汽化并沿管道流動的流體。在冷凝器端，蒸氣變回液體，以此循環(huán)往復。熱管效率高，可遠距離傳熱，是緊湊型高密度電子設(shè)備的理想之選。

*均熱板 - *均熱板具有大而平坦的表面，通常直接壓在另一個大而平坦的表面上。這種器件可將熱量從較小的元器件傳遞到較大的金屬表面。對于必須承受劇烈沖擊和振動或安裝在密封容器內(nèi)的器件而言，均熱板是理想之選。其可為加固和密封的嵌入式系統(tǒng)提供強大的熱管理解決方案。

*熱電冷卻器 (TEC) - *熱電冷卻器非常適合元器件溫度必須保持恒定的系統(tǒng)。高功率耗散處理器通常結(jié)合使用 TEC、空氣冷卻和液體冷卻裝置，以超越傳統(tǒng)的空氣冷卻極限。TEC 可將元器件冷卻到環(huán)境溫度以下，從而提供精確的溫度控制。

*熱通孔 - *熱通孔陣列分布在銅填充區(qū)域并靠近電源。在這種方法中，熱量從元器件流向銅區(qū)，并通過空氣從通孔中散失。熱通孔通常與導熱墊一起用于電源管理模塊和元器件，以增強 PCB 的導熱性。

*液冷系統(tǒng) - *液體的傳熱速度是空氣的四倍，因此可在更小的解決方案中實現(xiàn)更高的散熱性能。液冷系統(tǒng)包括一個與熱源連接的冷卻板或冷卻盒、一個用于循環(huán)液體的泵或壓縮機，以及一個用于安全吸熱和散熱的熱交換器。液冷對于大功率應用和高密度封裝的電子組件尤為有效。

iWave 的熱解決方案

iWave 的機械工程師專家團隊根據(jù)產(chǎn)品的特定熱特性設(shè)計散熱器、風扇散熱器和機箱。他們利用熱模擬軟件幫助工程師確定最合適的冷卻方法，并了解相關(guān)熱參數(shù)，最終提高產(chǎn)品的整體可靠性。

熱流模式分析

利用 Ansys Icepak 等工具，iWave 工程師可以模擬設(shè)備內(nèi)的熱流模式。這種分析有助于確定熱點，優(yōu)化冷卻元器件的放置。通過了解熱量如何在系統(tǒng)中流動，工程師可以設(shè)計出更有效的熱管理解決方案。

定制散熱器設(shè)計

iWave 設(shè)計定制散熱器，以滿足每個項目的獨特需求。設(shè)計過程包括根據(jù)表面積和材料特性計算理論散熱值。然后，工程師會使用模擬軟件對這些設(shè)計進行測試，以確保它們能在各種工作條件下提供足夠的冷卻效果。

有源器件的冷卻方法

在設(shè)計階段還要考慮主動冷卻方法，例如集成 TEC 和冷卻風扇。iWave 會對每種方法的優(yōu)勢和局限性進行評估，從而針對每種應用選擇最高效、最具成本效益的解決方案。

適用于所有外形尺寸的熱解決方案

iWave 為所有外形尺寸提供熱解決方案，包括 OSM、SMARC、Qseven 和 SODIMM。這些解決方案均采用鋁合金 AL6063，因為其具有出色的材料特性。鋁是一種極佳的導體，無毒、可回收且非常耐用，因此非常適合從元器件中傳遞熱量。

通過使用內(nèi)部熱解決方案，產(chǎn)品設(shè)計師可以消除工程延誤、現(xiàn)場故障和產(chǎn)品迭代，從而降低實施成本。減少器件散發(fā)的熱量可以提高效率和可靠性，確保產(chǎn)品的長期壽命。

結(jié)語

隨著嵌入式系統(tǒng)的復雜性和功率密度不斷提高，先進的熱管理技術(shù)必不可少。從散熱片和冷卻風扇到液冷系統(tǒng)和熱通孔，通過采用各種散熱方法，設(shè)計人員可確保其設(shè)備提供最佳性能和可靠性。iWave 等公司利用先進的模擬工具和定制設(shè)計，針對產(chǎn)品的特定需求提供專門的熱解決方案，以應對現(xiàn)代電子產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃宇