- 筆記本電腦中的熱設(shè)計
- 工程師需下載擬采用器件的數(shù)據(jù)手冊并從熱的角度體驗一下未來將遇到的挑戰(zhàn)
- 把結(jié)點(diǎn)與散熱片連接在一起
- 英特爾采用熱二極管、數(shù)字熱傳感器(DTS)和IntelThermalMonitor來監(jiān)測裸片溫度
- 一個完善的熱方案包括器件和系統(tǒng)級熱管理功能
回顧我年富力強(qiáng)的工程時代，我在熱分析上從未花費(fèi)太多時間，因為那時真的不需要，我還知道像我這樣的人并不是少數(shù)。但隨著半導(dǎo)體每單位面積的功耗(及相應(yīng)的發(fā)熱)越來越高，以及系統(tǒng)體積不斷縮小，越來越多未進(jìn)行熱分析的系統(tǒng)工程師發(fā)現(xiàn)自己身處困境。
“許多過去由不同器件分擔(dān)的功能現(xiàn)在被整合進(jìn)一個器件內(nèi)。”Ansys公司的產(chǎn)品經(jīng)理主管DaveRosato表示。因此，現(xiàn)在SoC類型器件的熱密度要高得多。
“工程師在5至10年前用于設(shè)計PCB的一般經(jīng)驗已完全不適應(yīng)當(dāng)今的設(shè)計了，”Rosato接著說。“數(shù)年前，PCB作為熱傳輸路徑的角色是被忽略的?，F(xiàn)在，你必須將所有的熱傳輸路徑考慮在內(nèi)。”
“簡單解決方案”是指在設(shè)計周期中盡早實施熱分析。多早合適呢？最晚應(yīng)在結(jié)構(gòu)圖設(shè)計階段后立即就進(jìn)行基本熱分析。工程師需下載擬采用器件的數(shù)據(jù)手冊并從熱的角度體驗一下未來將遇到的挑戰(zhàn)。
若該分析指出了潛在的問題，則工程師應(yīng)考慮采用一些熱分析模擬軟件甚至還可能需要與材料廠商合作以確定它是否能制造出與設(shè)計參數(shù)相適應(yīng)的一些東西。
筆記本電腦中的熱設(shè)計
最近，我自己的一臺筆記本電腦因與散熱片/熱管組塊集成在一起的風(fēng)扇電源故障而無法工作了。即使打開機(jī)殼使大量冷空氣流通，這臺電腦也啟動不了，甚至在系統(tǒng)執(zhí)行典型的上電自檢(POST)前，“風(fēng)扇故障”的信息也一直出現(xiàn)。
當(dāng)電腦感知到風(fēng)扇供電不正常時，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行?；诘募僭O(shè)如下：一般的筆記本電腦用戶在裝有空調(diào)的房間內(nèi)不會打開機(jī)蓋，因此，CPU會經(jīng)歷致命的“熱失控”。這種方法的不利之處是，由于風(fēng)扇(或連接風(fēng)扇的其它底層電源)不工作，而使整個系統(tǒng)也無法工作。
這是一個關(guān)于筆記本電腦制造商明確在沒有強(qiáng)制氣流流經(jīng)與CPU連接的散熱片時，CPU決不啟動的好例子。該設(shè)計按照這些要求進(jìn)行了工程處理，因為筆記本電腦設(shè)計人員知道，不正確的熱管理意味著危險即將到來。實際上，英特爾和AMD都非常嚴(yán)肅地對待這一問題。
例如，“如果外部熱傳感器檢測到處理器溫度達(dá)到致命的125℃(最大值)，或有THERMTRIP#信號顯現(xiàn)，則在500ms之內(nèi)，處理器的VCC電源必須關(guān)閉以防止因處理器熱失控造成的永久性硅損壞，”英特爾在其2008年1月版的Core2DuoProcessor數(shù)據(jù)手冊中強(qiáng)調(diào)。
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“保持合適的熱環(huán)境是系統(tǒng)長期、可靠工作的關(guān)鍵。一個完善的熱方案包括器件和系統(tǒng)級熱管理功能，”該數(shù)據(jù)手冊寫道。
“為保證基于英特爾處理器的系統(tǒng)的最優(yōu)化工作和長期可靠性，系統(tǒng)/處理器熱方案應(yīng)被設(shè)計為可使處理器維持在最低和最高結(jié)溫(TJ)規(guī)范之間，并遵從相應(yīng)的熱設(shè)計功耗(TDP)值，”該手冊指出。
“注意：當(dāng)處理器工作在這些極限指標(biāo)之外，將可能導(dǎo)致處理器的永久性損壞以及系統(tǒng)內(nèi)其它器件的潛在損傷，”該手冊總結(jié)說。
為什么這些公司對消除不正確的熱管理如此興師動眾？“許多應(yīng)用(系統(tǒng))正變得越來越小，例如MacAir；而熱路徑不僅變得更短，而且還被重新排列了，”Lord公司高級微電子技術(shù)科學(xué)家SaraN.Paisner說。
通常，散熱片被直接放置在器件上面。但最新技術(shù)將使熱量向其它方向流動。“現(xiàn)在，散熱片可能被放在器件下面，或者，也可能熱通過電路板本身消散掉了，”Paisner指出。
但熱管理不再如此簡單。“外殼材料同時擔(dān)當(dāng)電磁場(EMF)屏蔽和散熱片的角色，這是由于殼體本身構(gòu)成熱路徑的一部分，”Paisner表示。一個典型的PCB包括內(nèi)置熱路徑，這使得系統(tǒng)設(shè)計師重新審視其設(shè)計策略。所有的器件都在縮小，現(xiàn)在，當(dāng)為一個較大的區(qū)域散熱時，是由幾個器件共同分擔(dān)冷卻職責(zé)。
從芯片角度來看，英特爾和AMD針對正確熱設(shè)計采取的預(yù)防性措施很有趣。首先，英特爾指出，“為把溫度限制在工作條件內(nèi)，處理器需要一個熱管理方案。”英特爾采用熱二極管、數(shù)字熱傳感器(DTS)和IntelThermalMonitor來監(jiān)測裸片溫度。
熱二極管可與熱傳感器一起用于計算硅溫度。DTS是集成一個裸片上的傳感器，它不停地監(jiān)測并輸出相對于最高熱結(jié)溫的裸片溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)DTS中的一個特定位被置位時，將檢測到可導(dǎo)致災(zāi)難性后果的溫度條件。
當(dāng)硅片溫度達(dá)到最高限時，IntelThermalMonitor通過啟動一個熱控制電路來幫助控制處理器溫度。這樣，可以根據(jù)需要依次調(diào)整內(nèi)核時鐘以使硅片溫度處于掌控中。
此外，如果處理器溫度在熱跳變點(diǎn)以上，則該監(jiān)控器將產(chǎn)生一個外部信號(PROCHOT#)。它還以可生成一個中斷信號。如果該監(jiān)控器失效，則將產(chǎn)生一個特殊信號(THERMTRIP#)，以提示若不立即關(guān)斷內(nèi)核電壓，則很快就會出錯。
AMD采用的是一種類似的方法。該公司的“ThermalDesignGuidelines”白皮書提供諸如散熱片的最大長度、寬度和高度等規(guī)范以及散熱片和風(fēng)扇材料要求等規(guī)范信息。
雖然由于CPU需消耗很多熱而成為一個重要的散熱目標(biāo)，但也不應(yīng)忽視其它系統(tǒng)部件。此時，一些簡單計算及一些基本熱管理理論將發(fā)揮作用。
把結(jié)點(diǎn)與散熱片連接在一起
熱管理把熱從半導(dǎo)體結(jié)擴(kuò)散到附近環(huán)境中。典型情況是，熱從半導(dǎo)體被傳導(dǎo)到封裝，然后再到熱擴(kuò)散器(散熱器)，最終到周邊環(huán)境。你的設(shè)計也許沒有散熱器，也即采用的是類似風(fēng)扇和管線等其它技術(shù)。
但一般理論是一樣的：把熱從一小區(qū)域擴(kuò)散向一個大區(qū)域。根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本理論，材料的熱導(dǎo)率與熱流動的垂直區(qū)域和溫度梯度成比例。
結(jié)溫是半導(dǎo)體結(jié)的工作溫度(一般以℃表示)，在這里產(chǎn)生的熱最多。指定參考點(diǎn)(如結(jié)或殼體)的熱阻抗是每單位功耗(一般以Ｗ表示)高于一個外部參考點(diǎn)(如：因腳、殼體或環(huán)境溫度)的有效溫升(一般以℃表示)。
熱阻抗以θLetter1Letter2表示(即：θCA或θJA)。Letter1是指定參考點(diǎn)，且該字母一般表示該參考的初始值(即，C=殼體；J=結(jié))。Letter2是外部參考點(diǎn)且具有類似的表述結(jié)構(gòu)(即：A＝環(huán)境)。
