缺少热分析将使设计心血面临危险

　　粗略计算

　　当执行一个正式热分析时，目标是提供理解热是如何形成并如何在系统内流动的完整把握。但在开发阶段初期，一个简单的大致估算也许就足够了。

　　想法是，在上电后，对发热情况有个大致把握。另一条规避无意间招致缩短平均无故障时间的途径是使器件或系统过热。

　　一旦进行计算，就应大致了解你所用热管理方法所需的复杂程度。也即，是打算再增加一个散热器还是需热管的更新奇方案或其它一些采用热扩散、强制气流甚至新材料的混合方案？即使借助简单的类似增加热过孔等手段就可满足要求，未雨绸缪、防患未然也总比事后“付之一炬”好得多。

　　那如何进行粗略热分析呢？据Flomerics的电子制冷工程督导Byron Blackmore介绍，首要进行的是PCB正反两面的总体功率密度计算。“可通过计算总体功耗并除以表面积来表示它，”他说。

　　Blackmore还提供一个大致经验规则：若计算显示，你设计的功耗密度超过1.5W/in.2，就应考虑增加其它措施以避免使热产生连带影响。

　　Paisner还连带给出了一些指导数据。“决定是否采取额外举措的一个关键决定性因素是温度，”她说。85℃以内可接受，85℃到100℃可能也行、但要小心从事。但，在100℃以上，一般应采取附加措施。当然，除绝对温度外，你还应考虑随着系统条件的改变，温度会如何随之变化。

　　如何实现？“用每个器件在PCB可能工作的最高温度下的最大功耗并除以表面积，然后对PCB的另一面重复该计算，”Blackmore说。然后，你必须找到热阻抗(即：θJA)并乘以预期的功耗以确定高于环境温度的温升。现在，将该值与器件标称的最高温度相比。

　　注意：列出的θJA是就“凝滞的空气”说的，你必须把其它因素考虑在内，特别是你计划使空气在系统中流动时。一些数据手册也许给出在特定气流流动速率下器件的热阻抗(即：θJMA)。但显然，若你的设计接近这些极限值之一，你或许应考虑增加其它热管理措施，且也许还是该考虑采用仿真软件的时候了。

　　对给定设计来说，这些计算也许足够了，特别是若系统框架有许多自由空间时更是如此。那么，何时需要额外的热分析呢？

　　“理想情况是，你该做两次热分析：一次是当该项目就PCB大小和将采用的器件有大致概念后；另一次是基本布线完成后，”Rosato说。重复一遍，根据你的系统，在该布局后阶段，你应考虑利用热分析软件实施准确得多的仿真(图1)。

　　对布局和机架的考虑

　　必须尽早且经常进行热分析。一些设计师甚至打算在申请专利前考虑该问题，因为若产品因热问题而失败，则问题出在哪里？但其它因素影响系统设计。

　　“系统工程师必须理解材料与各自封装尺寸和种类间的互动有多么不同，”Paisner说。“类似Lord等公司与客户一道研发新材料来满足热要求。”

　　Paisner以苹果的Mac Air笔记本电脑为例说明产品遇到的严峻设计挑战，类似的这种设计不太可能有充足空间安放大散热器或其它冷却技术。这样，除非你打算不惜血本采用新奇的热方案，否则极小的空间限制将是很棘手的障碍。

　　“热通路越复杂，成本越高，”Paisner说。“你必须想方设法把热排出系统，另外，在材料和布局间，你情愿承受怎样的平衡。”

　　另外，从热角度，器件排布在布局过程中起着关键作用。“建议将高发热器件摆放在靠近通风孔的地方，但这种要求并非总能满足，所以，也许需要其它折中，”Rosato说。

　　另外，功耗很大的器件也许会产生对其它器件极易施加影响的“下流”热。另一个窍门是把发热器件紧邻着摆放并一般放在气流回路中。另外，“需要时，可采用分流器(diverter)流布气流，”Rosato指出。

　　从布局角度，应充分关注堆叠裸片和堆叠芯片封装器件，因更高的器件一般会妨碍热通路。另外，可直接焊装在PCB(器件和PCB间没有任何气隙)上的器件可把PCB作为散热器。另外，还可设计进热过孔，但一般情况是你应了解应在布局前想好把它们放在哪里。

　　Blackmore介绍，布局中一个值得仿效的作法是努力使任何冷空气的“风头”吹过发热最多的器件。把器件散布以避免给下游产生热气流同样是明智之举。最后，“高的器件和连接器可能形成影响气流向下流通的气阻，”他说。因此，对任何高的器件和连接器都应特别对待、进一步分析。

　　无用的输入输出

　　别为你用的器件集假定最大功耗。在计算阶段，最大值对你大致把握设计基本情况有用。但你必须坚持采用更真实的数据，否则，设计有可能变得过工程化、增加不必要的重量和成本。

　　若你采用了FPGA，则要弄清，其内部逻辑是否在所有时间都工作在最高速度？很可能不是这样的，所以，请逻辑工程师就更现实的工作情况给你一个合理的估算。然后，该你来决定是否需增加一个修正因数(fudge factor)。

　　记住：FPGA制造商的工程团队、测试团队和销售/营销部门也许已经把三个不同层次的修正因数内置其中。若你能得到实际使用数据并为此添加些修正，则以后将顺手得多。

　　公司都会问最重要的问题：错误比率是多少？提供的数据与“真实数据”相比有怎样的关联？数值都验证过了吗？在最终环境用实际材料测试过了吗？

　　在采用实际热仿真工具的地方，你可得到精准得多的更好体验。“热分析仿真工具应能读进布线和PCB设计信息，包括来自EDA工具的线段、平面和过孔定义等，”Rosato说。

　　仿真工具还可包含系统封装、详尽的器件设计参数等信息。“仿真工具可预测工作温度来评判是否有可能超过标称结温度以及在哪里系统会出现‘阻滞空气’”Rosato说。也可采用交互式仿真方法，其中，工程师可演练各种热管理情况、添加散热器、若需要则返回仿真结果。

　　类似PCB外形和大小以及诸如金属层信息等相关的PCB建构数据等参数也被读进，Blackmore说。流程的剩余部分涉及系统工程师描述系统将运行其中的环境，包括：框架、通风孔、电源和其它器件等信息。然后，将全部信息组合在一起提供一个热仿真。

　　未来发展

　　现在，你了解了热分析的基本原则和重要性以及行之有效的热管理技术。但即使考虑了全部其它防范措施，当设计接近或超过其中一些极限(如：1.5 W/in.2)时会出现怎样的情况？

图2：Nextreme OptoCooler模块可用于为TO-56封装的激光二极管制冷。

　　你大概了解散热器、风扇、集成了风扇的散热器等技术间的长短取舍。但对更先进的方案又了解多少？许多公司提供热产品和方案。

　　“传统方案业已过气，所以需要增加其它功能来拓展性能范围，”Nextreme的CTO Seri Lee说。例如，热管具有固态制冷所以应比单独的散热器和风扇先进，虽然热管既大且笨还贵又常常需要定制。

　　Nextreme有几项芯片级创新，它采用比典型方案薄和小10到20倍、但排热能力却高10到15倍的技术主动把热排出(图2)。Bergquist制造几种不同的热材料和热基板。Ansys也提供热仿真工具(图3)。