作者：Lawrence Der 在过去，机械工程师全权负责产品的热力设计，包括产品的机械外壳和其它物理方面的设计；然而现在，热力设计问题却是要电气工程师来共同承担。随着嵌入式微控制器、固件和传感器等的出现，电气工程师在产品的热力管理中起到的作用越来越大。而作为电气工程师，您是否体验过设计的产品超过了温度规范，却不知道要如何解决或减轻这个问题。特别是随着产品设计的功率密度越来越高，元器件每单位体积消耗的功率也越来越大，导致我们的产品越来越容易发热。 在针对电气工程师的热管理基础系列文章的第一篇中，我们将讨论什么是热量和温度，并将这些概念与欧姆定律联系起来。 第二篇将介绍三种基本的传热模式并讨论热阻问题。最后两篇里，我们会将热阻概念应用于一个实例，并讨论一些电气工程师可以使用的冷却电子产品的技术。 首先，我们需要搞清楚“什么是热量、什么是温度？”它们是同一个概念吗？ 答案是No！热量和温度是不同的概念。 热量实际上是一种能量形式，也称为热能，它来自原子或分子的运动。 与其他类型的能量一样，热量具有SI单位，即焦耳[J]： （点击查看大图） 其中kg是千克，m是米，s是秒，N是牛顿，W是瓦特，C是库仑，V是伏特。 其他热能单位包括卡路里等英国热量单位（BTU），但我们将使用SI单位来表示热量，在数学上用符号 Q 表示。重要的是要记住热量是一种能量形式，而热流(我们稍后将提到)，是热能相对于时间的流动，也就是我们电气工程师常说的功耗。 另一方面，温度是物体中粒子运动的量度，并且与物体中的平均能量成比例。 从更实际的角度来看，温度告诉我们物体的冷热度；对于给定的材料和质量，它告诉我们其具有的热能量。 例如，物体越热，其温度越高，因而它的热能就越大。 温度的SI单位是开尔文[K]，它与摄氏的关系是-273.15°C=0K。 我们将交替使用这两种温标，并用字母 T 来表示温度。 现在让我们来看看电域和热域之间的二元性，我们曾在之前的 博客 中就此进行过简要地讨论。下面的图表显示了两个域之间的基本关系： 图：电域（左）和热域（右）之间的基本关系 （点击查看大图） 表：电域（左）和热域（右）之间的基本关系 （点击查看大图） Jean-Baptiste Joseph Fourier，就是那位我们从傅里叶级数和变换中认识的傅里叶，观察到了热传导的欧姆定律关系。 如果我们在导体的两个点之间施加温度差，热流或能量传递则将以与这两个点之间的热阻成反比的速率从高温点流到低温点。 这种通过导体的热流在我们电气工程领域里被称为功耗。 热域和电域之间的联系是功耗以及电路的物理材料和几何特性。 两个域之间的另一个类似概念则是电容。 在热域中，热容量、热质量或热容是衡量材料存储或释放热量的属性，就像电容存储或释放电荷一样。 热电容可阻止由于物体的温度变化而导致的快速波动，它是材料的质量和比热的函数，也可以与物体的体积相关。 同样，像电容一样，热容可被用作滤波器来过滤温度变化的快速波动。 我们讨论了电域和热域之间的许多相似之处，一些 关键差异 则更要引起重视： 在电域中，电流被限制在特定电路元件内流动；但在热域中，热流通过三种热传导机制中的任何一种或全部从热源发出三维：传导，对流和辐射。 元件之间的热耦合比电耦合更加突出且难以分离。 热时间常数比电时间常数大得多，从而导致其反应速度慢——这意味着PCB可能需要几秒钟才能加热或冷却。 测量工具不同。 对于热分析，红外热像仪和热电偶取代了示波器和电压探头。 敬请期 待下一篇介绍三种基本的传热模式并讨论热阻问题的系列文章。 *原创内容，转载请注明出处：https://community.cadence.com。 space 相关阅读 封装/ PCB系统的热分析：挑战及对策 警惕发热！——热模型交换 为什么电源完整性(PI)是个“热”话题——如何进行电/热协同仿真 space 欢迎订阅 “PCB、IC封装：设计与仿真分析”博客专栏， 或扫描二维码关注“CadencePCB和封装设计”微信公众号，更多精彩内容期待您的参与！ space 联系我们：spb_china@cadence.com![]()
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