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设计中不可或缺的热分析

2011-01-04 17:45
seele_jin
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  记得从什么时候开始,热分析意味着撤回原型并确定是否需要额外加入两个散热片和一个风扇吗?现在再尝试这种方式你将发现身处泥潭却无计可逃。毕竟,热可能会影响电气性能并最终缩短平均无故障时间。

  回顾我年富力强的工程时代,我在热分析上从未花费太多时间,因为那时真的不需要,我还知道像我这样的人并不是少数。但随着半导体每单位面积的功耗(及相应的发热)越来越高,以及系统体积不断缩小,越来越多未进行热分析的系统工程师发现自己身处困境。

  “许多过去由不同器件分担的功能现在被整合进一个器件内。”Ansys公司的产品经理主管Dave Rosato表示。因此,现在SoC类型器件的热密度要高得多。

  “工程师在5至10年前用于设计PCB的一般经验已完全不适应当今的设计了,”Rosato接着说。“数年前,PCB作为热传输路径的角色是被忽略的。现在,你必须将所有的热传输路径考虑在内。”

  “简单解决方案”是指在设计周期中尽早实施热分析。多早合适呢?最晚应在结构图设计阶段后立即就进行基本热分析。工程师需下载拟采用器件的数据手册并从热的角度体验一下未来将遇到的挑战。

  若该分析指出了潜在的问题,则工程师应考虑采用一些热分析模拟软件甚至还可能需要与材料厂商合作以确定它是否能制造出与设计参数相适应的一些东西。

  笔记本电脑中的热设计

  最近,我自己的一台笔记本电脑因与散热片/热管组块集成在一起的风扇电源故障而无法工作了。即使打开机壳使大量冷空气流通,这台电脑也启动不了,甚至在系统执行典型的上电自检(POST)前,“风扇故障”的信息也一直出现。

  当电脑感知到风扇供电不正常时,系统立即停止运行。基于的假设如下:一般的笔记本电脑用户在装有空调的房间内不会打开机盖,因此,CPU会经历致命的“热失控”。这种方法的不利之处是,由于风扇(或连接风扇的其它底层电源)不工作,而使整个系统也无法工作。

  这是一个关于笔记本电脑制造商明确在没有强制气流流经与CPU连接的散热片时,CPU决不启动的好例子。该设计按照这些要求进行了工程处理,因为笔记本电脑设计人员知道,不正确的热管理意味着危险即将到来。实际上,英特尔和AMD都非常严肃地对待这一问题。

  例如,“如果外部热传感器检测到处理器温度达到致命的125℃(最大值),或有THERMTRIP#信号显现,则在500ms之内,处理器的VCC电源必须关闭以防止因处理器热失控造成的永久性硅损坏,”英特尔在其2008年1月版的Core 2 Duo Processor数据手册中强调。

  “保持合适的热环境是系统长期、可靠工作的关键。一个完善的热方案包括器件和系统级热管理功能,”该数据手册写道。

  “为保证基于英特尔处理器的系统的最优化工作和长期可靠性,系统/处理器热方案应被设计为可使处理器维持在最低和最高结温(TJ)规范之间,并遵从相应的热设计功耗(TDP)值,”该手册指出。

  “注意:当处理器工作在这些极限指标之外,将可能导致处理器的永久性损坏以及系统内其它器件的潜在损伤,”该手册总结说。

  为什么这些公司对消除不正确的热管理如此兴师动众?“许多应用(系统)正变得越来越小,例如Mac Air;而热路径不仅变得更短,而且还被重新排列了,”Lord公司高级微电子技术科学家Sara N. Paisner说。

  通常,散热片被直接放置在器件上面。但最新技术将使热量向其它方向流动。“现在,散热片可能被放在器件下面,或者,也可能热通过电路板本身消散掉了,”Paisner指出。

  但热管理不再如此简单。“外壳材料同时担当电磁场(EMF)屏蔽和散热片的角色,这是由于壳体本身构成热路径的一部分,”Paisner表示。一个典型的PCB包括内置热路径,这使得系统设计师重新审视其设计策略。所有的器件都在缩小,现在,当为一个较大的区域散热时,是由几个器件共同分担冷却职责。

  从芯片角度来看,英特尔和AMD针对正确热设计采取的预防性措施很有趣。首先,英特尔指出,“为把温度限制在工作条件内,处理器需要一个热管理方案。”英特尔采用热二极管、数字热传感器(DTS)和Intel Thermal Monitor来监测裸片温度。

  热二极管可与热传感器一起用于计算硅温度。DTS是集成一个裸片上的传感器,它不停地监测并输出相对于最高热结温的裸片温度数据。当DTS中的一个特定位被置位时,将检测到可导致灾难性后果的温度条件。

  当硅片温度达到最高限时,Intel Thermal Monitor通过启动一个热控制电路来帮助控制处理器温度。这样,可以根据需要依次调整内核时钟以使硅片温度处于掌控中。

  此外,如果处理器温度在热跳变点以上,则该监控器将产生一个外部信号(PROCHOT#)。它还以可生成一个中断信号。如果该监控器失效,则将产生一个特殊信号(THERMTRIP#),以提示若不立即关断内核电压,则很快就会出错。

  AMD采用的是一种类似的方法。该公司的“Thermal Design Guidelines”白皮书提供诸如散热片的最大长度、宽度和高度等规范以及散热片和风扇材料要求等规范信息。

  虽然由于CPU需消耗很多热而成为一个重要的散热目标,但也不应忽视其它系统部件。此时,一些简单计算及一些基本热管理理论将发挥作用。

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