電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)不(bu)喜(xi)歡(huan)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)運(yun)行(xing)。任(ren)何(he)表(biao)現(xian)出(chu)內(nei)部(bu)自(zi)發(fa)熱(re)效(xiao)應(ying)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)，都(dou)會(hui)導(dao)致(zhi)自(zi)身(shen)和(he)周(zhou)圍(wei)其(qi)他(ta)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)降(jiang)低(di)
，長(chang)期(qi)過(guo)熱(re)甚(shen)至(zhi)還(hai)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)（PCB）變形
，降低與其他元器件的連接完整性，並影響走線阻抗。通常情況下
，容易產生廢熱的元器件包括電源和各種形式的功率放大器［音頻或射頻（RF）］
，但現代片上係統（SoC）
、電源轉換模塊和高性能微處理器也會產生大量內部熱量。

尋找熱源

熱(re)管(guan)理(li)是(shi)電(dian)子(zi)設(she)計(ji)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)方(fang)麵(mian)
，因(yin)為(wei)它(ta)有(you)助(zhu)於(yu)調(tiao)節(jie)電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)溫(wen)度(du)，防(fang)止(zhi)過(guo)熱(re)造(zao)成(cheng)損(sun)壞(huai)。一(yi)些(xie)電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)在(zai)日(ri)常(chang)運(yun)行(xing)中(zhong)會(hui)產(chan)生(sheng)熱(re)量(liang)，如(ru)果(guo)這(zhe)些(xie)熱(re)量(liang)得(de)不(bu)到(dao)充(chong)分(fen)散(san)發(fa)，就(jiu)會(hui)縮(suo)短(duan)它(ta)們(men)的(de)整(zheng)體(ti)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，或(huo)造(zao)成(cheng)永(yong)久(jiu)性(xing)損(sun)壞(huai)。熱(re)管(guan)理(li)的(de)目(mu)標(biao)就(jiu)是(shi)要(yao)讓(rang)電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)維(wei)持(chi)在(zai)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)下(xia)，確(que)保(bao)其(qi)長(chang)期(qi)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)性(xing)能(neng)。產(chan)生(sheng)的(de)這(zhe)些(xie)熱(re)量(liang)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)一(yi)種(zhong)能(neng)量(liang)損(sun)失(shi)，表(biao)明(ming)能(neng)源(yuan)沒(mei)有(you)得(de)到(dao)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)。我(wo)們(men)將(jiang)在(zai)後(hou)文(wen)中(zhong)了(le)解(jie)到(dao)散(san)熱(re)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)的(de)各(ge)種(zhong)方(fang)法(fa)
，包(bao)括(kuo)使(shi)用(yong)風(feng)扇(shan)實(shi)現(xian)強(qiang)製(zhi)風(feng)冷(leng)和(he)使(shi)用(yong)散(san)熱(re)器(qi)實(shi)現(xian)對(dui)流(liu)散(san)熱(re)。

yaoshishireguanli
，jiubixulejieshejizhongcaiyongdemeigeyuanqijiandeanquangongzuowendufanwei。shujushoucezhongtongchanghuigeichuwenduxiaxianheshangxianzhijiandefanwei，zhegefanweitongchangchengweianquangongzuoqu（SOA）
，它(ta)定(ding)義(yi)了(le)元(yuan)器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)而(er)不(bu)會(hui)出(chu)現(xian)不(bu)可(ke)預(yu)測(ce)行(xing)為(wei)或(huo)過(guo)早(zao)老(lao)化(hua)的(de)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)。此(ci)外(wai)，電(dian)路(lu)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)的(de)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。

可能產生多餘熱量的應用和元器件包括以下幾種：

電源轉換：電源的作用是將電網的交流（AC）電壓轉換為較低的直流（DC）電壓，這個過程中總會產生一些損耗。電源的效率通常因負載條件和轉換器拓撲結構而異。例如，XP Power ASB160 160W AC/DC開關模式電源的最大滿載電源效率為91%至93%。這一規格表明
，160W的線路輸入能量中最多有9%的能量（即14.4W）需要耗散。電源中可能的熱源包括開關MOSFET、二極管和電感器。

電機驅動器：大功率工業電機柵極驅動器電路中的MOSFET會產生大量廢熱。半導體或集成模塊的末級通常是主要熱源

，需要安裝散熱器和其他散熱元器件。MOSFET或其他功率半導體在傳導過程中的內部串聯電阻可能並不大

，但在大電流、高壓應用中，它們產生的熱量仍然會相當可觀。

無源元器件自發熱：許多人都知道電容器
、電(dian)阻(zu)器(qi)和(he)電(dian)感(gan)器(qi)等(deng)無(wu)源(yuan)元(yuan)器(qi)件(jian)會(hui)有(you)內(nei)部(bu)自(zi)發(fa)熱(re)的(de)問(wen)題(ti)。也(ye)許(xu)每(mei)個(ge)零(ling)件(jian)損(sun)失(shi)的(de)能(neng)量(liang)都(dou)不(bu)多(duo)
，但(dan)這(zhe)些(xie)零(ling)件(jian)的(de)使(shi)用(yong)量(liang)往(wang)往(wang)都(dou)很(hen)大(da)，因(yin)而(er)會(hui)成(cheng)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)熱(re)源(yuan)。

放大：任ren何he基ji於yu半ban導dao體ti或huo模mo塊kuai的de放fang大da電dian路lu都dou會hui產chan生sheng一yi定ding的de熱re量liang
，而er音yin頻pin和he射she頻pin放fang大da器qi是shi其qi中zhong最zui主zhu要yao的de兩liang種zhong。放fang大da器qi的de效xiao率lv和he輸shu入ru功gong率lv決jue定ding了le需xu要yao耗hao散san的de最zui大da熱re量liang。不bu同tong的de放fang大da器qi拓tuo撲pu結jie構gou有you不bu同tong的de效xiao率lv，因yin此ci必bi須xu要yao了le解jie各ge種zhong用yong例li中zhong可ke能neng的de峰feng值zhi功gong率lv以yi及ji放fang大da器qi的de工gong作zuo效xiao率lv。

PCB走線和互連：在峰值負載條件下，PCB走線的阻抗總是有可能產生熱量。PCB走線的寬度和布局應根據最大工作條件進行計算，否則有可能出現局部發熱、變形乃至起火。同樣，電路板互連器件若長期負載過高，也會在連接器端子處產生熱量，導致損壞乃至起火。

除了檢查元器件數據手冊中的安全工作溫度和了解電路參數外，還可以使用熱成像儀（圖1）獲取主要發熱元器件的準確圖像。

圖1：顯示重要熱源的PCB熱紅外圖像（圖源：Teledyne Flir）

熱對元器件可靠性的影響

高溫會對元器件的可靠性產生巨大影響。圖2所示為額定溫度+85°C和+105°C的多層陶瓷電容器（MLCC）的預計壽命可靠性。從中可見
，當工作溫度為50°C時，額定溫度+85°C的MLCC使用壽命為40年；如果平均工作溫度升高10°C至60°C
，那麼它的使用壽命就會縮短至10年。

圖2：溫度對MLCC壽命的影響（圖源：Murata）

對於任何係統
，可靠性的量化標準都是平均故障間隔時間（MTBF），它是根據元器件可靠性參數計算出來的。過熱會導致平均工作溫度升高，進而降低元器件的MTBF。

此(ci)外(wai)，許(xu)多(duo)半(ban)導(dao)體(ti)元(yuan)器(qi)件(jian)和(he)電(dian)池(chi)都(dou)會(hui)出(chu)現(xian)熱(re)失(shi)控(kong)現(xian)象(xiang)。在(zai)這(zhe)種(zhong)連(lian)鎖(suo)反(fan)應(ying)現(xian)象(xiang)中(zhong)，電(dian)流(liu)會(hui)因(yin)溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)而(er)增(zeng)大(da)，這(zhe)就(jiu)形(xing)成(cheng)了(le)惡(e)性(xing)循(xun)壞(huai)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)元(yuan)器(qi)件(jian)故(gu)障(zhang)、係統過載和火災。

熱管理技術

散熱有多種方式，包括傳導和對流。傳導是指熱量（熱能）從(cong)一(yi)個(ge)物(wu)體(ti)傳(chuan)遞(di)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)物(wu)體(ti)。將(jiang)熱(re)能(neng)從(cong)高(gao)溫(wen)元(yuan)器(qi)件(jian)傳(chuan)導(dao)到(dao)低(di)溫(wen)物(wu)體(ti)，就(jiu)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)溫(wen)度(du)。傳(chuan)導(dao)是(shi)最(zui)有(you)效(xiao)的(de)熱(re)傳(chuan)遞(di)方(fang)法(fa)
，因(yin)為(wei)它(ta)所(suo)需(xu)的(de)表(biao)麵(mian)積(ji)最(zui)小(xiao)。

duiliulengqueliyongyidongdeqiliu，jiangreliangcongwutidaidaozhouweidekongqizhong。dangkongqidaizoureliangshi，huixirugengduodekongqi
，congerzengjiaqiliubingjiangdireyuandewendu。qiliukeyiziranchansheng，yekeyiqiangzhichansheng；例如
，使用風扇就可以加快散熱。此外，散熱器可以增加元器件的有效表麵積，提高散熱量。

熱阻抗和熱界麵材料

熱阻抗衡量的是材料的導熱效率，是熱管理計算中的一個重要參數。例如
，導熱墊
、凝膠和糊劑等熱界麵材料（TIM）可改善功率MOSFET之間的熱傳導。其中一些材料在導熱的同時，還能實現電隔離。Würth Elektronik就可以提供多種這樣的熱界麵材料（圖3）。例如，WE-TINS係列是一種薄矽膠墊，可在電子元器件和散熱組件之間實現電絕緣，同時促進熱量傳導
；WE-TGFG係列在泡沫芯外包裹了一層合成石墨
，是一種導熱性高、不含矽膠的熱擴散替代材料，可用於填充垂直間隙。

圖3：Würth Elektronik提供的部分熱界麵材料（圖源：Würth Elektronik）

此外
，Panasonic也提供一係列熱管理解決方案，EYG-R石墨墊就是其中的一款，具有安裝簡便、可ke靠kao性xing高gao和he熱re阻zu低di的de特te點dian，因yin為wei其qi一yi側ce表biao麵mian更geng加jia光guang滑hua，熱re接jie觸chu更geng良liang好hao。這zhe些xie石shi墨mo墊dian具ju有you較jiao高gao的de可ke壓ya縮suo性xing
，能neng有you效xiao填tian充chong發fa熱re和he散san熱re器qi件jian之zhi間jian的de空kong隙xi，從cong而er實shi現xian更geng好hao的de熱re傳chuan導dao。

散熱器

散熱器有豐富多樣的形狀和尺寸。其中，既有專門設計用於特定功率半導體和IC/SoC封裝的產品，也有其他適用於行業標準模塊的產品
，比如Advanced Thermal Solutions Inc.的ATS maxiFLOW係列散熱器，就是專為全磚DC/DC轉換器模塊而設計的。

CUI Devices還提供各種適用於半導體封裝和模塊的散熱器。為幫助用戶進行選擇
，CUI還提供了散熱器選擇指南。

風扇

風扇可以提供流過PCB和散熱器的強製氣流。CUI Devices提供的此類產品包括變速直流離心式風扇和直流軸流式風扇
，兩者均采用omniCOOL軸承係統。

珀爾帖模塊

珀爾帖（Peltier）redianmokuaikeyilengquebandaotiheqitaxiaoxingfareyuanqijian，feichangshiheyongzaikongjianyouxiandewaikezhong。poertieredianxiaoyingshizhi，dangdianliutongguoliangzhongbutongdedaodiancailiaoshi，renengyehuizaizheliangzhongcailiaozhijianliudong。gaixiaoyingyoufaguowulixuejiarang•珀爾帖（Jean Peltier）發現
，是塞貝克（Seebeck）效應的反效應。這些結構緊湊的模塊通常使用P型和N型半導體顆粒，無需移動部件即可實現從熱源到散熱器的有效熱傳遞。

圖4所示即為熱源和散熱器之間的熱能流動。CUI Devices提供一係列標準型和微型珀爾帖模塊，可適應高達+77°C的溫度梯度。

圖4：使用珀爾帖模塊時，從熱源到散熱器的溫度梯度（圖源：CUI Devices）

（作者：貿澤電子Mark Patrick）

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