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常见电子产品热设计思路(节选)
时间:2019-10-18 07:10 作者:admin666 来源:
 
热设计工程师的根本目的是解决产品散热问题。这分为两个部久久精品热99看分:

 

1、产品需求角度出发,识别散热风险;

2、提出方案,解决风险。

本书前十五章分述了电子产品热设计中需要用到的理论知识,从工程热设计角度对各类散热物料进行了解读,还详述了与热设计不可分割的噪音、风扇调速、热测试及热仿真的相关基础知识。本章从应用角度出发,分析常见产品的散热设计思路,阐述如何使用这些知识实现优秀的产品热设计方案。

 

1 自然散热产品

自然散热方式的优缺点和选择该散热方式的依据见第四章。

自然散热的核心缺点是散热能力较差。这意味着当电子产品功耗密度提升,自然散热类产品将触及“功耗墙”,散热问题会在某个拐点成为产品的关键技术难题,甚至成为制约产品体验的核心因素。在2010年以前,极少有厂商在宣传产品时重点提及散热设计,而今,手机、笔记本、汽车电子甚至桌面电脑等产品,越来越多地关注热设计的先进程度。

由于综合性的原因,散热设计的具体优化方案必须结合实际产品情况进行。首先需要从热设计角度出发,列出所有可能的散热优化方案或努力方向,然后分析具体产品特征,综合考量外观、结构、硬件、软件、成本、时间、可靠性等所有产品层面的需求,敲定具备可行性的方案,进行实施。

对自然散热产品进行优化散热时,可从以下几个方面考虑:

a)       强化辐射换热——使用在红外波段高辐射系数的表面处理方式;

b)      降低对可见光的吸收——户外太阳直射的产品,降低表面对可见光的吸收,包括表面处理、施加遮阳设计等;

c)       消除局部热点,将发热源热量充分均散开——石墨片、铜箔、热管、VC等材料的使用;

d)      低热阻界面材料的选用——使用高导热效能的硅脂、导热衬垫、导热凝胶;

e)       风道的通畅化设计——自然散热中对流换热也占主导,其风道需结合换热特点进行设计;

f)       散热结构件的优化使用——包括散热部件的结构参数优化、材料优化,以及充分利用产品内结构件实现散热功效;

g)      提高表面换热面积——使用更大的产品尺寸,设备表面采用翅片式等;

h)      电路板设计的配合——芯片布局的配合,热过孔的设计,铺铜设计;

i)       软件设计的配合——产品运行负载结合温度进行动态智能控制,充分利用所有散热潜能;

j)       相变储能材料的使用——功耗突增状况下迅速吸收过余热量,维持产品温度;

k)      元器件筛选——使用低热阻、高温度规格的元器件。

下面我们通过分析几类产品的设计形态,来阐述这些方法在具体产品中的应用。为强化理解和便于进一步查询,在下述每种产品的设计总结表中,均将各种优化手段对应的考虑方面与上述十一条进行了一一对应并指出了其所在章节。

 

1.1超薄平板电脑

 

目前来讲,受限于空间,超薄平板电脑一般采用自然散热设计。我们以ACER Switch Alpha 12为例,解读它使用的散热设计方案。Switch Alpha 12是Acer于2016年推出的宣称搭载创新LiquidLoop液冷散热的二合一超薄平板电脑。其内部散热结构示意图如下:

                                                  图16-1 SwitchAlpha 12内部透视图

 

产品右侧被电池占去,左边则是电路板。从内部结构图上看,内部热量在转移路径如下:

1. CPU的热量通过导热件传递到环路热管Acer LiquidLoop™;

2. 热量传递到环路热管,液体发生汽化,在热管中形成单向的气液两相流;

3. 在流体持续的蒸发和冷凝的过程中,CPU的热量被均散到整个产品空间    中,最终通过设备外壳散失到环境中.

对于室内自然散热产品,热量终归要全部通过外壳散失到空气中去。这样,如何充分利用外壳就成为关键。Acer使用的LiquidLoop技术,实际上就是环路热管(Loop Heat Pipe,LHP),它可以非常有效地将热量均散开来。第九章有关于传统热管工作原理的详细解读。LHP在传统热管的基础上发展而来,内部进行的都是相变换热,不过它的毛细结构只在蒸发器吸热区域存在,将毛细抽吸与液体回流两个过程分离开来(图16-2)。对于LHP,液体经过光滑内壁管线回流,流动压降显著降低,因而可采用能提供很高毛细压力的微米级孔径毛细芯来克服重力的影响,同时不会产生增加液体回流阻力的负面影响[1]

 

                                                             图16-2 环路热管(左)和传统热管(右)的工作原理示意图

 

Switch Alpha 12的结构设计参数如下:

1) 长度292.1mm

2) 宽度201.4mm

3) 厚度9.5-15.85mm(意味着拆除键盘后仅9.5 mm厚,而键盘侧)

4)  外壳材质镁铝合金

                 
                                  图16-3 SwitchAlpha 12外观

 

从产品特征分析,Switch Alpha 12属于典型移动消费电子终端,反映到散热设计端的问题或限制及其应对措施如下:

                                表16-1 SwitchAlpha 12根据产品特征施加的散热方案

        虽然没有进一步的资料证明,但从对产品的成本、性能等影响,以及结合Acer创新性地使用环路热管这一方案来看,自然散热优化思路中d(使用高导热效能的导热界面材料),h(元器件布局设计)和i(软件的智能温基降频)等设计技术应该也已在Switch Alpha 12中使用。通过多方面的综合努力,Acer在这样的空间内实现了15W的热设计功耗,其极限体积热流密度达到了26.8 W/L,远高于常规认为的12W/L的自然散热安全功率密度限。

 

  参考文献(第十六章全部参考文献)

 

[1] 柏立战, 林贵平, 张红星. 环路热管稳态建模及运行特性分析[J]. 北京航空航天大学学报,2006, 32(8):894-898.

[2] IEC GUIDE 117 -- Electrotechnical equipment – Temperatures oftouchable hot surfaces Appendix A, 2010.

[3] Tang, Heng, Tang, et al. Review of applications and developmentsof ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling[J]. Applied Energy, 2018,223:383-400.

[4] 张炯.4G/5G 融合,促进网络演进发展.https://www.zte.com.cn

[5] 中兴通讯.中兴通讯5G高频基站产品荣获2017中国设计红星奖.

http://www.sohu.com/

[6] 饶中浩, 张国庆. 电池热管理[M]. 北京: 科学出版社,2015;

[7] Ramadass  P., Haran  B.,  White R.,  et  al. Capacity  fade  of Sony  18650  cells cycled  at

elevated  temperatures Part  II.  Capacity fade  analysis[J].  Journal of  Power  Sources, 2002,

112(2):614-620.

[8] 宋刘斌. 锂离子电池(LPF)的热电化学研究及其电极材料的计算与模拟.中南大学博士学位论文.2013;

[9] 梁金华. 纯电动车用磷酸铁锂电池组散热研究. 清华大学硕士学位论文.2011.

[10] 云凤玲;高比能量锂离子动力电池热性能及电化学-热耦合行为的研究[D];北京有色金属研究总院;2016年

[11] Pesaran A. Battery Thermal Management in EV and HEVs:Issues andSolutions [J]. Battery Man, 2001, 43(5): 34-49.

[12] 陈爱英, 汪学英. 相变储能材料及其应用[J]. 洛阳理工学院学报(自然科学版), 2002, 12(4):7-9.

本篇节选自:陈继良.从零开始学散热.第十六章

    


 

                                       感谢阅读


 

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