散熱問(wèn)題是嵌入式設(shè)計(jì)人員在努力實(shí)現(xiàn)最大性能同時(shí)保持尺寸、重量和成本降低時(shí)面臨的一些最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。醫(yī)療、工業(yè)、電信和軍事環(huán)境中的應(yīng)用具有巨大的性能需求，因此需要更快的處理器。隨著工作頻率的提高和工藝尺寸的不斷縮小，高性能處理器正在成為產(chǎn)生熱量的最大罪魁禍?zhǔn)祝總€(gè)處理器的功率高達(dá) 120 W。隨著功率水平的提高，設(shè)計(jì)人員需要有效的工具來(lái)在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期驗(yàn)證熱管理。

熱設(shè)計(jì)的重要性

組件以及整個(gè)系統(tǒng)的壽命直接取決于它產(chǎn)生的熱量和系統(tǒng)的內(nèi)部溫度。過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致性能損失，并最終導(dǎo)致組件故障。對(duì)于需要高可用性和長(zhǎng)壽命的嵌入式系統(tǒng)，這可能是災(zāi)難性的。因此，冷卻已成為重要的設(shè)計(jì)考慮因素。設(shè)計(jì)人員選擇放置組件的位置、通風(fēng)口、加壓和散熱器對(duì)熱管理有可衡量的影響。

為了使當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，某些應(yīng)用對(duì)密封外殼設(shè)計(jì)有額外的要求。例如，軍用設(shè)備必須能夠在極端溫度波動(dòng)和高海拔地區(qū)運(yùn)行，那里空氣稀薄且無(wú)法有效冷卻——同時(shí)還要承受極端的振動(dòng)和沖擊。這通常要求密封設(shè)計(jì)很少或從不與外部空氣交換外殼空氣，從而限制了設(shè)計(jì)人員可以采用的熱管理技術(shù)。這些類(lèi)型的堅(jiān)固設(shè)計(jì)通常使用可保持熱量的高密度橡膠進(jìn)行外部保護(hù)。工程師在確定如何在這些設(shè)計(jì)中散熱時(shí)必須注意應(yīng)用要求，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)不能太熱而無(wú)法處理的堅(jiān)固手持計(jì)算機(jī)。

熱管理技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)工程師有許多選項(xiàng)可用于解決散熱問(wèn)題。散熱器有各種各樣的類(lèi)型和尺寸。幾種特殊的環(huán)氧樹(shù)脂允許將散熱器粘合到組件上，從而提供更大的表面積以將熱量從 IC 中散發(fā)出去。對(duì)嵌入式系統(tǒng)外殼進(jìn)行機(jī)械修改并安裝定制設(shè)計(jì)的散熱器可以消除單個(gè)或多個(gè)組件的熱量。機(jī)箱的后角可以充當(dāng)熱阱，允許特殊的擋板將空氣偏轉(zhuǎn)到特定位置。

內(nèi)部組件安裝和外殼安裝風(fēng)扇可以合并，以直接為組件和內(nèi)部系統(tǒng)電路板提供恒定的氣流。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制禁止使用風(fēng)扇或高級(jí)冷卻系統(tǒng)并需要密封外殼時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須經(jīng)常求助于更具創(chuàng)造性的方法。使用功能減少、時(shí)鐘速度降低或備用 CPU 以及更節(jié)能存儲(chǔ)的不同板卡有時(shí)是解決這些設(shè)計(jì)中的熱問(wèn)題的唯一方法。

然而，預(yù)測(cè)和調(diào)整系統(tǒng)的熱足跡只是科學(xué)的一部分。熱管理需要一些基于工程師以前經(jīng)驗(yàn)的猜測(cè)或部落知識(shí)。然而，并不能保證工程師會(huì)選擇正確的值組合來(lái)調(diào)查哪一個(gè)會(huì)導(dǎo)致一條耗時(shí)的試錯(cuò)改進(jìn)技術(shù)路徑。

新技術(shù)消除了猜測(cè)

為了幫助提高設(shè)計(jì)的整體可靠性并避免代價(jià)高昂的重新設(shè)計(jì)，必須在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期驗(yàn)證熱管理，以便在構(gòu)建硬件之前解決任何問(wèn)題。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （CFD） 軟件等新技術(shù)使工程師能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期有效地提供熱管理專(zhuān)業(yè)知識(shí)，早于物理原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。

在 CFD 軟件出現(xiàn)之前，工程師會(huì)通過(guò)一系列練習(xí)來(lái)解決熱問(wèn)題。每種方法都需要構(gòu)建一個(gè)原型，然后進(jìn)行熱測(cè)量并進(jìn)行修改，直到達(dá)到所需的熱結(jié)果。在確定正確的設(shè)計(jì)之前，這通常需要數(shù)月的構(gòu)建和測(cè)試，從而增加了上市時(shí)間。

如今，仿真工具可以讓工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段快速（通常在 24 小時(shí)內(nèi)）輕松地創(chuàng)建電子設(shè)備的虛擬模型、執(zhí)行熱分析和測(cè)試設(shè)計(jì)修改。只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)，設(shè)計(jì)人員就可以快速開(kāi)發(fā)“假設(shè)”模型、計(jì)算結(jié)果并比較性能。

Flomerics，?? FLOTHERM 軟件是一個(gè)應(yīng)用程序示例，旨在解決電子和電氣系統(tǒng)中的熱管理建模挑戰(zhàn)。該軟件使用戶(hù)能夠預(yù)測(cè)電子設(shè)備內(nèi)部和周?chē)臍饬骱蜔醾鬟f，包括傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的耦合效應(yīng)。

圖 1 顯示了使用該軟件的 ETXexpress 模塊的有源散熱器溫度圖。流經(jīng)散熱片的藍(lán)色到紅色的氣流代表從頂部風(fēng)扇吹出的氣流。右側(cè)顯示從 +50 ?∞C 開(kāi)始從藍(lán)色到紅色的溫度讀數(shù)。

圖1

熱仿真有助于設(shè)計(jì)最佳機(jī)箱冷卻系統(tǒng)。創(chuàng)建預(yù)測(cè)氣流、溫度和熱傳遞并驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的模型環(huán)境的能力可以顯著縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。Aberdeen Group 的一項(xiàng)獨(dú)立調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與非用戶(hù)相比，熱分析軟件用戶(hù)完成熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證的速度提高了 3 倍，平均每個(gè) PCB 設(shè)計(jì)的重新設(shè)計(jì)次數(shù)減少了 40% 以上。

熱分析在行動(dòng)

圖 2 顯示了初步的系統(tǒng)氣流分析，在 1U 機(jī)箱溫度矢量圖上顯示了氣流方向、速度大小和流體場(chǎng)強(qiáng)度。使用這種分析，工程師可以確定是否需要移動(dòng)或更換電路板上的單個(gè)商品，或者特定組件或其放置是否導(dǎo)致溫度異常。

圖 2

控創(chuàng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無(wú)線(xiàn)服務(wù)器設(shè)計(jì)中使用了 FLOTHERM，因?yàn)樗軌蚩煽康?a href="http://www.asorrir.com/analog/" target="_blank">模擬最終系統(tǒng)的性能并在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期預(yù)測(cè)最壞情況。這個(gè)特定系統(tǒng)有幾個(gè)未知變量，并且基于當(dāng)時(shí)僅作為規(guī)范可用的專(zhuān)有卡。更復(fù)雜的是，該規(guī)格的功率變量范圍很廣，從 60 到 120 W。

控創(chuàng)的工程團(tuán)隊(duì)采用規(guī)范并為 CPU、HDD、內(nèi)存和 I/O 分配不同的值，以生成許多場(chǎng)景。圖 3 顯示了一個(gè)小型監(jiān)控點(diǎn)圖示例，該圖說(shuō)明了不同變量的溫度，例如機(jī)箱、CPU 和機(jī)箱內(nèi)的其他組件。該仿真為設(shè)計(jì)人員提供了機(jī)箱視圖，以查看熱特性和異常情況，并允許他們預(yù)測(cè)最壞的情況，包括在風(fēng)扇或其他關(guān)鍵組件發(fā)生故障時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

圖 3

一旦設(shè)計(jì)師使用仿真工具驗(yàn)證了模型，他們就會(huì)構(gòu)建原型并在客戶(hù)的真實(shí)環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。由于分析是在早期完成的，并且使用仿真工具對(duì)結(jié)果進(jìn)行了虛擬驗(yàn)證，因此該設(shè)計(jì)符合客戶(hù)的需求。

工具確保可靠性

在當(dāng)今的高性能嵌入式系統(tǒng)中，必須在設(shè)計(jì)周期的開(kāi)始就解決散熱要求。隨著 CFD 的出現(xiàn)，工程師幾乎可以消除原型制作時(shí)間和成本，軟件可以選擇移動(dòng)參數(shù)的方向，用戶(hù)可以找到最佳設(shè)計(jì)。使用這個(gè)概念設(shè)計(jì)過(guò)程，熱仿真可以為工程師提供一個(gè)關(guān)鍵工具，以減少設(shè)計(jì)時(shí)間和重新設(shè)計(jì)的次數(shù)。也許更重要的是，充分利用這些工具使設(shè)計(jì)人員能夠預(yù)測(cè)和計(jì)劃故障——降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并提高關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序的可靠性。

審核編輯：郭婷