熱設(shè)計(jì)工程師的根本目的是解決產(chǎn)品散熱問(wèn)題。這分為兩個(gè)部分：
1、產(chǎn)品需求角度出發(fā)，識(shí)別散熱風(fēng)險(xiǎn)；
2、提出方案，解決風(fēng)險(xiǎn)。
本書(shū)前十五章分述了電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中需要用到的理論知識(shí)，從工程熱設(shè)計(jì)角度對(duì)各類(lèi)散熱物料進(jìn)行了解讀，還詳述了與熱設(shè)計(jì)不可分割的噪音、風(fēng)扇調(diào)速、熱測(cè)試及熱仿真的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。本章從應(yīng)用角度出發(fā)，分析常見(jiàn)產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)思路，闡述如何使用這些知識(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)方案。
1 自然散熱產(chǎn)品
自然散熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)和選擇該散熱方式的依據(jù)見(jiàn)第四章。
自然散熱的核心缺點(diǎn)是散熱能力較差。這意味著當(dāng)電子產(chǎn)品功耗密度提升，自然散熱類(lèi)產(chǎn)品將觸及“功耗墻”，散熱問(wèn)題會(huì)在某個(gè)拐點(diǎn)成為產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)難題，甚至成為制約產(chǎn)品體驗(yàn)的核心因素。在2010年以前，極少有廠商在宣傳產(chǎn)品時(shí)重點(diǎn)提及散熱設(shè)計(jì)，而今，手機(jī)、筆記本、汽車(chē)電子甚至桌面電腦等產(chǎn)品，越來(lái)越多地關(guān)注熱設(shè)計(jì)的先進(jìn)程度。
由于綜合性的原因，散熱設(shè)計(jì)的具體優(yōu)化方案必須結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品情況進(jìn)行。首先需要從熱設(shè)計(jì)角度出發(fā)，列出所有可能的散熱優(yōu)化方案或努力方向，然后分析具體產(chǎn)品特征，綜合考量外觀、結(jié)構(gòu)、硬件、軟件、成本、時(shí)間、可靠性等所有產(chǎn)品層面的需求，敲定具備可行性的方案，進(jìn)行實(shí)施。
對(duì)自然散熱產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化散熱時(shí)，可從以下幾個(gè)方面考慮：
a) 強(qiáng)化輻射換熱——使用在紅外波段高輻射系數(shù)的表面處理方式；
b) 降低對(duì)可見(jiàn)光的吸收——戶外太陽(yáng)直射的產(chǎn)品，降低表面對(duì)可見(jiàn)光的吸收，包括表面處理、施加遮陽(yáng)設(shè)計(jì)等；
c) 消除局部熱點(diǎn)，將發(fā)熱源熱量充分均散開(kāi)——石墨片、銅箔、熱管、VC等材料的使用；
d) 低熱阻界面材料的選用——使用高導(dǎo)熱效能的硅脂、導(dǎo)熱襯墊、導(dǎo)熱凝膠；
e) 風(fēng)道的通暢化設(shè)計(jì)——自然散熱中對(duì)流換熱也占主導(dǎo)，其風(fēng)道需結(jié)合換熱特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
f) 散熱結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化使用——包括散熱部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、材料優(yōu)化，以及充分利用產(chǎn)品內(nèi)結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)散熱功效；
g) 提高表面換熱面積——使用更大的產(chǎn)品尺寸，設(shè)備表面采用翅片式等；
h) 電路板設(shè)計(jì)的配合——芯片布局的配合，熱過(guò)孔的設(shè)計(jì)，鋪銅設(shè)計(jì)；
i) 軟件設(shè)計(jì)的配合——產(chǎn)品運(yùn)行負(fù)載結(jié)合溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能控制，充分利用所有散熱潛能；
j) 相變儲(chǔ)能材料的使用——功耗突增狀況下迅速吸收過(guò)余熱量，維持產(chǎn)品溫度；
k) 元器件篩選——使用低熱阻、高溫度規(guī)格的元器件。
下面我們通過(guò)分析幾類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)形態(tài)，來(lái)闡述這些方法在具體產(chǎn)品中的應(yīng)用。為強(qiáng)化理解和便于進(jìn)一步查詢，在下述每種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)總結(jié)表中，均將各種優(yōu)化手段對(duì)應(yīng)的考慮方面與上述十一條進(jìn)行了一一對(duì)應(yīng)并指出了其所在章節(jié)。
1.1超薄平板電腦
目前來(lái)講，受限于空間，超薄平板電腦一般采用自然散熱設(shè)計(jì)。我們以ACER Switch Alpha 12為例，解讀它使用的散熱設(shè)計(jì)方案。Switch Alpha 12是Acer于2016年推出的宣稱(chēng)搭載創(chuàng)新LiquidLoop液冷散熱的二合一超薄平板電腦。其內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖16-1 SwitchAlpha 12內(nèi)部透視圖
產(chǎn)品右側(cè)被電池占去，左邊則是電路板。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖上看，內(nèi)部熱量在轉(zhuǎn)移路徑如下：
1. CPU的熱量通過(guò)導(dǎo)熱件傳遞到環(huán)路熱管Acer LiquidLoop?；
2. 熱量傳遞到環(huán)路熱管，液體發(fā)生汽化，在熱管中形成單向的氣液兩相流；
3. 在流體持續(xù)的蒸發(fā)和冷凝的過(guò)程中，CPU的熱量被均散到整個(gè)產(chǎn)品空間 中，最終通過(guò)設(shè)備外殼散失到環(huán)境中.
對(duì)于室內(nèi)自然散熱產(chǎn)品，熱量終歸要全部通過(guò)外殼散失到空氣中去。這樣，如何充分利用外殼就成為關(guān)鍵。Acer使用的LiquidLoop技術(shù)，實(shí)際上就是環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe，LHP），它可以非常有效地將熱量均散開(kāi)來(lái)。第九章有關(guān)于傳統(tǒng)熱管工作原理的詳細(xì)解讀。LHP在傳統(tǒng)熱管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，內(nèi)部進(jìn)行的都是相變換熱，不過(guò)它的毛細(xì)結(jié)構(gòu)只在蒸發(fā)器吸熱區(qū)域存在，將毛細(xì)抽吸與液體回流兩個(gè)過(guò)程分離開(kāi)來(lái)（圖16-2）。對(duì)于LHP，液體經(jīng)過(guò)光滑內(nèi)壁管線回流，流動(dòng)壓降顯著降低，因而可采用能提供很高毛細(xì)壓力的微米級(jí)孔徑毛細(xì)芯來(lái)克服重力的影響，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生增加液體回流阻力的負(fù)面影響[1]。
圖16-2 環(huán)路熱管（左）和傳統(tǒng)熱管（右）的工作原理示意圖
Switch Alpha 12的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
1) 長(zhǎng)度292.1mm
2) 寬度201.4mm
3) 厚度9.5-15.85mm（意味著拆除鍵盤(pán)后僅9.5 mm厚，而鍵盤(pán)側(cè)）
4) 外殼材質(zhì)鎂鋁合金
圖16-3 SwitchAlpha 12外觀
從產(chǎn)品特征分析，Switch Alpha 12屬于典型移動(dòng)消費(fèi)電子終端，反映到散熱設(shè)計(jì)端的問(wèn)題或限制及其應(yīng)對(duì)措施如下：
表16-1 SwitchAlpha 12根據(jù)產(chǎn)品特征施加的散熱方案
雖然沒(méi)有進(jìn)一步的資料證明，但從對(duì)產(chǎn)品的成本、性能等影響，以及結(jié)合Acer創(chuàng)新性地使用環(huán)路熱管這一方案來(lái)看，自然散熱優(yōu)化思路中d（使用高導(dǎo)熱效能的導(dǎo)熱界面材料），h（元器件布局設(shè)計(jì)）和i（軟件的智能溫基降頻）等設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)該也已在Switch Alpha 12中使用。通過(guò)多方面的綜合努力，Acer在這樣的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了15W的熱設(shè)計(jì)功耗，其極限體積熱流密度達(dá)到了26.8 W/L，遠(yuǎn)高于常規(guī)認(rèn)為的12W/L的自然散熱安全功率密度限。
參考文獻(xiàn)（第十六章全部參考文獻(xiàn)）
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本篇節(jié)選自：陳繼良.從零開(kāi)始學(xué)散熱.第十六章
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