热设计连载3--散热的梦魇

散热对很多产品厂商来说,由发热造成的故障并非和自己无关。即便过去对散热处理不需要太重视的企业,近来伴随着产品的小型化和高性能化,散热困难的现象也越来越明显。 比如说笔记本电脑,与散热有关的CPU耗电量“近几年来一直在30~35W左右”(英特尔移动平台集团日本移动支持中心部长野原伸弘)。但是,为了进一步追求产品的薄型化、小型化及轻量化,确保追加光驱等新功能时的空间,主板的面积则一直在缩小 注2~3)。结果导致主板封装密度不断升高,而散热越来越困难。

注2)不要忘了随着CPU耗电量增大,芯片组及存储器的耗电量也增大。现在,存储控制器LSI(北桥芯片)的耗电量一般为10W,输入输出控制器LSI(南桥芯片)为2~3W,存储器为3~5W。尤其,存储器方面,“自从OS变成‘WindowsVista’以后,发热明显,也不得不开始考虑冷却”(NEC个人产品PC业务本部开发生产业务部移动商品开发部大久博充)。

注3)比如,索尼笔记本电脑“VAIOtypeT”(“VGN-TZ50B”等)的主板比原机型减小了约30%,面积为1万mm2。东芝笔记本电脑“dynabookSSRX”的主板比原机型减小约35%,面积为1万1600mm2。

  便携产品方面,机壳温度的限制也使散热更为困难。现在,很多厂商“内部规定,将高出环境温度14℃设为机体温度的上限”(冲电气工业信息企划部部长国峯尚树)注4)。便携产品的机壳大多起着向外部散热的散热器作用,但在产品小型化和高性能化的趋势下,要做到这一点并不容易。

注4)依据是一般认为在与44℃的物体接触6小时会出现低温烧伤。比如,在室温27℃的环境下使用时,机体温度的上限为41℃。

挑战散热极限

  冲电气工业的国峯指出,手机等自然冷却的电子产品“已经看到了散热的极限”。这是因为能从产品表面散出的热量有限的结果。大致来说,产品体积1L的耗电量超过10W,就难以实现自然冷却。

  比如,使用输出电压为3.7V、容量为800mAh的电池能够连续4小时收看电视节目的手机,收看电视时的耗电量为0.74W。假设手机体积为0.1L左右,1L的耗电量就是7.4W。该值本身尚未达到散热极限,但已经没有余地。

  尽管如此,以手机为首,日益小型和高性能化的各种便携产品不断上市。而在背后支持这些产品的正是热设计。在设计的早期阶段,就开始考虑部件发热量及产品表面和风扇等的散热量、成品的散热途径,通过模拟及局部实测掌握各部分的温度信息。产品厂商的目标是使产品的所有部分“不蛮干、不浪费、均匀”地散热。

没有热设计,就没有产品

  产品厂商开始加大力度的热设计本身,并非现在才出现的技术。以往在大型计算机及电源等产品中就已经采用。不过在过去很长时间里,对消费类产品而言,热设计始终属于一种理想,在成本核算上无法用于实际开发。

  现在,这种状況正在发生根本性的变化。现在可以听到很多产品厂商的开发人员强调“没有热设计,就没有产品”。

  松下电器产业投产了利用热设计在原有CD/DVD基础上增设蓝光光盘功能、并将尺寸保持在与原产品相当水平上的笔记本电脑光驱(图3)。蓝光光盘用激光源等比CD/DVD用激光源发热量多,并且耐热性差。“为确保激光头寿命,必须完全确保温度条件,基于模拟的热设计发挥了很大作用”(松下电器产业BD业务开发工作组参事守屋充郎)注5)。(未完待续)
采用热设计的笔记本电脑光驱

图3:在蓝光光盘装置中热设计不可缺少松下电器产业为实现高12.7mm的蓝光光盘装置,在激光头部分和光学平台等设计中采用了模拟。光驱是适用于笔记本电脑的通用产品,因此不能改变外形尺寸。关键是在新增蓝光光盘光学系统等之后,封装在与原来CD/DVD两种波长产品相同的尺寸中。

注5)蓝光光盘装置用激光源及激光器驱动IC的耗电量为1.3W左右,相当于以往CD/DVD装置的1.5~2倍。将其与CD/DVD装置用激光源等一起封装在了体积只有约5.5cc的激光头中。

更多请看明日刊出的:痛苦的经历促使导入热设计

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