原创 电子产品热设计都做些什么

很多人把电子产品热设计理解为热仿真和热测试，也有人理解为设计散热模组和风扇，还有人把热仿真就认作热设计。不说这些理解的对错，局限于不同的工作范畴，自然会有不同的理解。但需要强调的一点，热设计是一种类型的设计，其重点是体现某种创意。当然在验证这些创意的过程中会使用到仿真、测试等手段。

随着电子产业的发展，电子产品的性能、工艺不断提升，功耗不断增加，电子产品热设计也从当时的不为人知渐渐的受到了重视，如今几乎渗透到了电子产业链的每个环节，从上游的芯片设计，到随后的电路板和系统的开发，到之后的整机集成（将若干小的系统集成于大的机柜中以实现更综合的功能），再到机柜在机房中的应用，都会有相应热设计的考虑。根据所设计产品的特点，可以将热设计分为器件级，单板级，系统级，机柜级，环境级。

对于器件级的热设计，一个很重要的内容是设计器件的封装热阻，封装热阻影响着芯片在系统中的热设计难度，当然也影响着器件的成产成本，对于下游的系统厂家永远是希望所用的器件有小的封装热阻，而对于器件厂家永远是希望有更低的成本，如何折中两者的需求，即让系统厂商的系统热设计不至于太难实现，又能有一个合适的封装成本，就体现在器件级热设计的价值。

器件级热设计另一个重要的内容是器件的温度监控。很多的芯片，特别是功耗比较大的通常都有对晶元温度的监控，基于这个监控温度可以实现一些更高层次的功能，譬如按照温度进行风扇调速，或者按照温度为器件选择不同的工作模式，或者在危险的温度下停止芯片的工作，因此实现一些智能控制。经常听到有人讲AMD的电脑（使用AMD CPU的）散热比Intel的电脑（使用Intel CPU的）差。个人觉得差也许是存在的，但应该不差在系统设计上，因为两家相近功耗的CPU通常对散热模组的热阻要求也是相似的，所以在系统设计不会存在太大差异。这个差就差在温度监控上，Intel的CPU早已经使用了在晶元表面加工的n个传感器来反馈温度，并控制风扇转速和选择CPU工作模式。而AMD的CPU一直使用1个埋于晶元下部的叫做thermal diode的温度传感器来反馈温度，并控制风扇转速和选择芯片工作模式，因为晶元上的发热极不均匀，各处温差较大，所以这个thermal diode反馈的温度必然十分迟钝而且不精确，因此，基于它的一些控制功能也必然比较粗糙。

单板级热设计的任务是在系统给定的条件下为其上的器件设计合适的传热路径，使其在系统最恶劣的工况下能稳定，可靠的工作。做单板级的热设计首先要研究器件的热特性，不同的器件封装不同，热特性也会差别很大。譬如，有的器件节壳热阻比较小，有的器件节到板的热阻比较小，有的器件功耗大，有的器件功耗小但体积也小，有的器件没什么功耗但对温度敏感，那么在设计时就应该根据器件的特点采用不同的处理方式，不能一味的发现芯片热就往上加散热片。在做单板级热设计时器件的布局通常也是比较重要的，单板上气流的分布并不均匀，根据气流的分布来对重要器件进行布局会得到一个比较好的散热效果。反过来，器件的布局对气流的分布也有影响，热设计时要综合考虑两方面的影响。当然，在大多数情况下通过器件的选型和布局一般并不能解决所有器件的散热问题，有针对性的强化散热措施对于单板级热设计也是必须的。此外，做单板级热设计还要重点考虑的一个问题是效率，即以较低的代价（风量、成本、空间等）实现板上器件的散热要求。

系统级的热设计则着重考虑为单板和器件设计一个适当的散热环境。我们常常按照系统是否包含风扇等动力部件将系统分成两类-自然冷却系统和强迫冷却系统。这两类系统在散热能力、传热特征和设计方式上都存在较大差别，所以作为系统级的热设计首先要确定的一个问题是使用什么样的散热方式，自然散热还是强迫风冷？对于不同的散热方式，系统热设计的思路和方法是截然不同的。简单的谈谈强迫风冷的系统设计。对于强迫风冷的系统，首先要确定的是系统的风道形式，是前-后、左-右、上-下，风道形式根据所设计的系统的特征确定，不能单纯的谈哪种风道形式好哪种风道形式坏，有些国际标准会指定几个优选的风道形式，但一般不作为强制要求。在确定了总的风道形式之后，还要有具体风道的设计，对于一个大的系统通常会包含若干块插卡，尽量使用一组风扇来解决所有插卡的散热，并且能根据不同区域插卡的功耗来分配风量，那种哪里有功耗（插卡）哪里加风扇的做法是不可取的。系统热设计还要有一个好的空间分配，一个系统通常至少会包含三个区域：进风区域、单板区域、出风区域，对于每一个区域阻力都会随空间分配的大小而变化，但这个变化并不是一个线性过程，当某一区域的空间小到一定程度后，系统阻力会开始急剧的增加，当大到一定程度后，阻力的减小会变得很缓慢，所以如何合理的分配系统的空间能有助于获得一个理想的系统总阻力。系统热设计还要考虑对气流的管理，避免风道的循环，减少气流的浪费，尽量按照需要分配气流的量。在系统热设计中风扇的选型和应用也是十分重要的，对于风扇的选型，选择不同尺寸的风扇可能会影响到整个系统的综合性能，包括散热、噪声、成本、可靠性。个人经验，大尺寸的风扇在综合来讲会好一些。而对于风扇的应用也有很多因素要考虑：风扇的位置如何？是选择抽风散热还是吹风散热？如何对风扇进行调速设计？通常不同的选择产生的系统流场分布是不尽相同的。此外，噪声和积尘是热设计的产物，在做热设计的同时对其进行考虑会有一个比较好的效果，通常一个好的系统散热方案应该具备在噪声和防尘方面好的表现。

上面谈到的器件级热设计、单板级热设计、系统级热设计应该是大部分散热工程师日常工作的内容。当然根据所设计产品的需求，考虑的内容也许会更多，海拔、太阳辐射等等。需要说明的一点，这里分开来讲器件级热设计、单板级热设计、系统级热设计只是总体上谈了各自设计的重点，其实这几级的热设计应该是紧密联系，互为条件的，将某一级单独割裂出来那将不成为设计。

相比之下机柜级的热设计人们提的不多，也经常被忽视，以为系统满足某一环境下的散热需求了，装在机柜中自然也能满足。实际情况其实并非如此，将一个系统装于机柜后通常不可避免的会对散热带来一些影响，有时这个影响还很大。即使在正常安装的情况下，机柜对系统的散热会带来两个方面的影响，其一是机柜门和防尘网等对气流增加了额外阻力，其二是系统前后（进出风）存在压差，会引起一定热空气回流，这两方面的原因造成系统装于机柜后能满足的环境温度必然比系统本身能满足的温度降低。如果再加上机柜内一些系统风道配合变扭或不当的情况，影响就更大了，譬如，将左右风道的系统装于机柜，机柜的侧板会对气流形成阻碍，气流越大，阻碍越强，影响也就越大。还有些情况下，将两个风道方向相反的系统装在一起，引起风道循环。

环境级的热设计和其他级别的热设计关联度要小很多，环境级热设计不需要考虑芯片的温度如何，单板的温度怎样，重点是要保证的是系统的运行环境温度在一个适合的水平，即设计机房的制冷能力，同时要考虑空调送入的冷风的利用率。要提高冷风的利用率，就需要有合理的设计：设计合理的风道、对设备有理想的布局、减少冷热气流的混合等等。

参观过国内的不少机房，感觉到时下机房的热设计状况比较糟糕，在大多数的机房里看到的是一排排机柜同一方向布局，前排机柜排出的热风被后排机柜吸入，直到最后经过“良好混合”的冷、热空气从某一侧的排风口排出，不存在冷、热通道分别的概念，也不存在冷热气流隔离的措施。通过交流感觉这样的设计应该是基于一个错误的理解，因为都知道电子设备对环境温度有一定要求，所以应该为这些设备提供一个良好的环境，但似乎是把这个环境理解为了设备的四周，其实对于电子设备只要保证进风的环境就可以了。当然因为现在设备运营商对机房空调支付的电费已经占到整个运营成本的很大比重，他们也开始重视这种环境级的热设计，在一些新的机房设计已经开始改善。但对于那么多老的机房仍旧是低效率的运行着。个人有一个不成熟的观点：一般电子设备设计的最高运行环境温度其实是比较高的，少说也能支持35℃，大部分是可以支持45、55℃的，所以适当的提高一下机房的环境温度可以有效的降低运营成本。