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任何单板都不可能做到100%的能量转换效率,必然存在能量损耗,其中大部分以热的形式耗散。因此,板级热设计是硬件设计绕不开的问题。
但很多人一碰到热问题,条件反射就是上风冷、液冷、加大覆铜面积。这些措施有用,但不一定是最优解。
硬件设计的底层逻辑是 PPACT——Performance(性能)、Power(功耗)、Area(面积)、Cost(成本)、Time-to-market(上市时间)之间的妥协。热设计同样要在这个框架下做权衡。
推荐的热设计流程分四步:
第一步:明确设计需求
包括工作负载剖面(mission profile)、产品形态、器件规格。
比如设备是持续满载还是脉冲工作?是密封环境还是开放环境?这决定了散热策略的起点。
第二步:收集产品信息
包括PCBA叠层、尺寸、器件布局、关键器件功率损耗、可用散热方式。
没有这些信息,仿真和方案都是空中楼阁。
第三步:仿真与对比校准
热仿真不是一次性的动作。要先建立模型,再与已知实物或参考设计的热参数对比修正,不断迭代优化,才能让仿真结果可信。
第四步:处理超温器件
针对超温点,综合硬件、EMC、结构工艺意见,给出处理方案。
不是简单“加铜”或“加风扇”,而是在成本、工艺、可靠性之间找最优解。
散热的底层逻辑只有三条:
1. 提高效率,减少发热
选低导通电阻MOS、高效率DC-DC、低静态电流LDO,优化开关频率,使用软开关,必要时通过DVFS降频降压,关闭不用的功能模块。
2. 减少热阻
优化PCB叠层和铺铜,增加热过孔阵列,使用散热焊盘、导热硅脂/导热垫、散热器、热管、均温板等,让热量更容易从结到环境传递。
3. 加快热量交换
自然对流、强制风冷、液冷、冷板,优化风道和风扇调速,必要时使用高辐射系数涂层,提升与环境的热交换能力。
记住:热设计不是“哪里热就加风扇/加铜”,而是在PPACT约束下做全局权衡。先搞清楚需求和约束,再动手,才是真正的最优解。
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