作者：Tawfeeq Ahmad

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

了解熱管理技術(shù)對(duì)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?jiǎng)?chuàng)新的熱管理技術(shù)來(lái)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(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 203 億美元，2022 年到 2030 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 8%。

不僅是 FPGA，各種電子產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生熱量，因此散熱配件至關(guān)重要。適當(dāng)?shù)臒峁芾韺?duì)于維持這些設(shè)備的性能、可靠性和長(zhǎng)期壽命必不可少。以下是關(guān)于散熱配件為何對(duì)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(jì)算機(jī)和服務(wù)器應(yīng)用中）會(huì)因密集的計(jì)算任務(wù)而產(chǎn)生大量熱量。
• 散熱配件 ：散熱器、散熱膏和冷卻風(fēng)扇對(duì)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(yīng)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(guò)熱和維持高性能，需要采用大型散熱器、風(fēng)扇等冷卻解決方案，有時(shí)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(guò)程涉及大量能量損耗，因此會(huì)產(chǎn)生熱量。
• 冷卻解決方案 ：使用風(fēng)扇的主動(dòng)冷卻方法和使用散熱器的被動(dòng)冷卻方法對(duì)于保持電源的效率和長(zhǎng)期壽命至關(guān)重要。

4.存儲(chǔ)器模塊（RAM、DRAM）：

• 運(yùn)行穩(wěn)定性 ：高速存儲(chǔ)器模塊會(huì)產(chǎn)生熱量，如果不加以控制，可能會(huì)導(dǎo)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(fēng)扇進(jìn)行散熱，可保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性和速度。

5.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)）：

• 連續(xù)運(yùn)行 ：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備經(jīng)常全天候運(yùn)行，導(dǎo)致持續(xù)發(fā)熱。
• 冷卻要求 ：散熱器、風(fēng)扇（有時(shí)還需要采用環(huán)境冷卻措施，例如在服務(wù)器機(jī)房?jī)?nèi)安裝空調(diào)）對(duì)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(jì)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(yùn)行。
• 熱解決方案 ：使用定制散熱器、導(dǎo)熱墊和帶冷卻功能的專用機(jī)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(yīng)用中的可靠性。

7.移動(dòng)設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦）：

• 散熱限制 ：移動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，散熱空間有限，但其運(yùn)行的高性能處理器和電池會(huì)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(jìn)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(chǔ)備：

• 安全性和長(zhǎng)期壽命 ：電池（尤其是電動(dòng)汽車和大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的電池）在充放電過(guò)程中會(huì)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(duì)于防止過(guò)熱至關(guān)重要，過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短，甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

9.電信設(shè)備：

• 持續(xù)熱負(fù)荷 ：基站、天線和其他電信設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)持續(xù)發(fā)熱。
• 冷卻必需品 ：散熱器、風(fēng)扇和氣候控制型機(jī)柜對(duì)于維持設(shè)備可靠性和服務(wù)可用性必不可少。

10.高性能計(jì)算 (HPC) 系統(tǒng)：

• 極端熱量輸出 ：用于科學(xué)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(jì)算集群，會(huì)產(chǎn)生大量熱量。
• 先進(jìn)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(duì)于管理熱量和確保不間斷高速運(yùn)行至關(guān)重要。

不僅是 FPGA，各種電子產(chǎn)品都離不開(kāi)散熱配件。這些配件在散熱、防止過(guò)熱和確保設(shè)備可靠高效運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒峁芾?，電子產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)性能下降、不穩(wěn)定的情況，甚至可能發(fā)生災(zāi)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(jiàn)的散熱技術(shù)

隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越小、功能越來(lái)越強(qiáng)大，散熱技術(shù)比以往任何時(shí)候都更加重要。設(shè)計(jì)人員可以使用多種方法來(lái)為元器件和 PCB 散熱，常見(jiàn)的機(jī)制包括：

*散熱器和冷卻風(fēng)扇 - *散熱器是大型表面導(dǎo)熱金屬部件，可充當(dāng)被動(dòng)式熱交換器，通過(guò)傳導(dǎo)將熱量散發(fā)到周圍空氣中。在散熱器上安裝冷卻風(fēng)扇有助于更快、更有效地散熱。這種組合是最常見(jiàn)、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(fēng)扇的散熱器可幫助元器件散熱。（圖片來(lái)源：[iWave]( *

*熱管集成 - *熱導(dǎo)管是高溫應(yīng)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(dòng)的流體。在冷凝器端，蒸氣變回液體，以此循環(huán)往復(fù)。熱管效率高，可遠(yuǎn)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(gè)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(duì)于必須承受劇烈沖擊和振動(dòng)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(qiáng)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(guò)空氣從通孔中散失。熱通孔通常與導(dǎo)熱墊一起用于電源管理模塊和元器件，以增強(qiáng) PCB 的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)更高的散熱性能。液冷系統(tǒng)包括一個(gè)與熱源連接的冷卻板或冷卻盒、一個(gè)用于循環(huán)液體的泵或壓縮機(jī)，以及一個(gè)用于安全吸熱和散熱的熱交換器。液冷對(duì)于大功率應(yīng)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(jī)械工程師專家團(tuán)隊(duì)根據(jù)產(chǎn)品的特定熱特性設(shè)計(jì)散熱器、風(fēng)扇散熱器和機(jī)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(diǎn)，優(yōu)化冷卻元器件的放置。通過(guò)了解熱量如何在系統(tǒng)中流動(dòng)，工程師可以設(shè)計(jì)出更有效的熱管理解決方案。

定制散熱器設(shè)計(jì)

iWave 設(shè)計(jì)定制散熱器，以滿足每個(gè)項(xiàng)目的獨(dú)特需求。設(shè)計(jì)過(guò)程包括根據(jù)表面積和材料特性計(jì)算理論散熱值。然后，工程師會(huì)使用模擬軟件對(duì)這些設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)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(jì)階段還要考慮主動(dòng)冷卻方法，例如集成 TEC 和冷卻風(fēng)扇。iWave 會(huì)對(duì)每種方法的優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行評(píng)估，從而針對(duì)每種應(yīng)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?yàn)槠渚哂谐錾牟牧咸匦?。鋁是一種極佳的導(dǎo)體，無(wú)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(guò)使用內(nèi)部熱解決方案，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以消除工程延誤、現(xiàn)場(chǎng)故障和產(chǎn)品迭代，從而降低實(shí)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(zhǎng)期壽命。

結(jié)語(yǔ)

隨著嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性和功率密度不斷提高，先進(jìn)的熱管理技術(shù)必不可少。從散熱片和冷卻風(fēng)扇到液冷系統(tǒng)和熱通孔，通過(guò)采用各種散熱方法，設(shè)計(jì)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(jìn)的模擬工具和定制設(shè)計(jì)，針對(duì)產(chǎn)品的特定需求提供專門的熱解決方案，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃宇