模拟技术中的浅谈笔记本电脑中的热设计
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2020-10-22
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模拟技术中的浅谈笔记本电脑中的热设计模拟技术中的浅谈笔记本电脑中的热设计
0 引言 热分析（thermal analysis，TA）是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。
国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis，ICTA）于1977年将热分析定义为：“热分
析是测量在程序控制温度下，物质的物理性质与温度依赖关系的一类技术。”根据测定的物理参数又分为多种方
法。 最常用的热分析方法有：差（示）热分析（DTA）、热重量法（TG）、导数热重量法（DTG）、差示
扫描量热法[1]（DSC）、热机械分析（TMA）和动态热机械分析（DMA）。此外还有：逸气检测（EGD）、逸
气分析（E
0 引言引言
热分析（thermal analysis，TA）是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。国际热分析协会
（International Confederation for Thermal Analysis，ICTA）于1977年将热分析定义为：“热分析是测量在程序控制温度下，
物质的物理性质与温度依赖关系的一类技术。”根据测定的物理参数又分为多种方法。
最常用的热分析方法有：差（示）热分析（DTA）、热重量法（TG）、导数热重量法（DTG）、差示扫描量热法[1]
（DSC）、热机械分析（TMA）和动态热机械分析（DMA）。此外还有：逸气检测（EGD）、逸气分析（EGA）、 扭辫热
分析（TBA）、射气热分析、热微粒分析、热膨胀法、热发声法、热光学法、热电学法、热磁学法、温度滴定法、直接注入热
焓法等。测定尺寸或体积、声学、光学、电学和磁学特性的有热膨胀法、热发声法、热传声法、热光学法、热电学法和热磁学
法等。
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。
“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。
1 笔记本电脑中的热设计笔记本电脑中的热设计
索尼公司宣布对其2010年1月上市的VPCF11系列和VPCCW2系列VAIO个人电脑的部分机型进行召回，并为顾客免费进
行升级。原因是用户在使用一段时间后，可能会出现由于温控管理系统问题而导致机器过热的症状。在此之前，惠普也公布了
其笔记本电脑电池组召回扩展计划，称电池芯存在由于过热起火或烫伤消费者的潜在隐患。
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。
“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。
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。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。
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。
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。
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