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*ΔT/ΔL
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.)
ΔT代表两端的温度差;ΔL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).
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*ΔT
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=10~20,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.
ΔT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(Planck's 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0~1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 =e˙s˙F˙Δ(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0~1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.
Δ(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 :
(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.
散热1
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：Ｉｎｔｅｌ的奔腾ＣＰＵ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℃
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θJA=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θJA=54℃/W，TO-3封装（也就是大家说的“铁壳”）的热阻θJA=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
由于电源模块的转1250系列产品的外壳)来说约为3.76°C/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-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1.9°C/W,不考虑原外壳的横向散热,自然散热的温升为1.9′22=42°C。
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道功率损耗而无法进行。
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