導(dǎo)讀

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，散熱是影響處理器性能與穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題。本文聚焦于高端嵌入式處理器的散熱設(shè)計，探討核心板的熱設(shè)計與系統(tǒng)級熱設(shè)計方法，以及導(dǎo)熱材料和布局的建議，為解決高溫問題提供參考。

用高端嵌入式處理器設(shè)計系統(tǒng)，散熱是一個避不開的問題。就算標(biāo)稱工業(yè)級處理器，在進(jìn)行環(huán)境溫度實測的時候，都需要加散熱片才能通過。在不加散熱器的情況下，處理器的結(jié)溫和環(huán)溫，一般相差可在20℃~50℃范圍內(nèi)，加上散熱片后，溫差可大幅度縮小。如果一個處理器標(biāo)稱結(jié)溫為105℃，如果不加散熱片，大概率是過不了85℃的高溫測試的。在封閉的高溫測試環(huán)境下，結(jié)溫和環(huán)溫的溫差通常會超過30℃。選用ZLG的核心板，如果處理器主頻超過1GHz，多核處理器，通常都需要考慮散熱需求，特別是帶GPU和NPU的芯片，在運行GPU和NPU的時候發(fā)熱量急劇上升，更是需要散熱片，否則可能會出現(xiàn)一些異常：

當(dāng)環(huán)境溫度升高，處理器運行速度下降，界面卡頓或者通信延遲增加；

高溫下系統(tǒng)意外重啟，或者出現(xiàn)界面黑屏。

如果產(chǎn)品本身還是封閉式設(shè)計，那更需要在散熱上下功夫。使用核心板的熱設(shè)計主要涉及兩個大方面：核心板本身的熱設(shè)計、包含核心板的系統(tǒng)級熱設(shè)計。

?核心板本身的熱設(shè)計

核心板在設(shè)計之初已經(jīng)融入了熱設(shè)計理念，使用的時候只需關(guān)注發(fā)熱量大的器件（一般為MPU，有時也包括DDR和eMMC），對其散熱處理即可。散熱方式主要有自然散熱、強迫風(fēng)冷、強迫液冷，其中致遠(yuǎn)電子的核心板一般選擇自然散熱和強迫風(fēng)冷，最終選擇何種散熱方式需結(jié)合工作溫度、器件結(jié)溫、器件功耗等因素。通過調(diào)試指令讀出MPU的結(jié)溫可以知道MPU散熱的實際效果，如果裸機能滿足MPU結(jié)溫條件甚至都可以不用額外加散熱處理。

1. 自然散熱

自然散熱是指物體通過熱傳導(dǎo)、對流和輻射等方式將熱量傳遞給周圍環(huán)境的過程，實現(xiàn)方法是發(fā)熱器件通過散熱器把熱量傳遞到環(huán)境中。散熱路徑為發(fā)熱器件→導(dǎo)熱界面材料→散熱器→環(huán)境。核心板的發(fā)熱器件一般為MPU，導(dǎo)熱界面材料主要有導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱相變片、導(dǎo)熱凝膠等，常見的散熱器材質(zhì)主要是鋁合金和銅合金，它們的導(dǎo)熱效能和經(jīng)濟(jì)性綜合表現(xiàn)較好。對于核心板來說，導(dǎo)熱界面材料推薦選擇導(dǎo)熱硅膠片，其優(yōu)點是導(dǎo)熱性能穩(wěn)定，耐高溫，電絕緣，很好的柔軟度可以彌合一定程度的結(jié)構(gòu)件高度差。在選型導(dǎo)熱硅膠片時一項很重要的參數(shù)是導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)在市面上以3W/(m.K)居多，也有5W/(m.K)、8W/(m.K)。曾經(jīng)在同一核心板使用同一個散熱器對比測試過3W/(m.K)和5W/(m.K)的導(dǎo)熱硅膠片，80℃環(huán)境溫度下，使用5W/(m.K)導(dǎo)熱硅膠片讀取的MPU結(jié)溫比使用3W/(m.K)導(dǎo)熱硅膠片時低5℃。

從對比測試結(jié)果看導(dǎo)熱硅膠片的導(dǎo)熱系數(shù)對散熱效果影響是比較大，應(yīng)綜合測試和成本選擇合適的導(dǎo)熱硅膠片。熱量傳導(dǎo)有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流、輻射，這可作為散熱器設(shè)計的根據(jù)。導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱截面積是熱傳導(dǎo)中影響傳熱效率的關(guān)鍵參數(shù)。銅合金比鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)高，但成本相對較高，需綜合考量。加大齒厚、基板厚度、導(dǎo)熱截面積改善散熱性能需綜合考量系統(tǒng)級空間，在有金屬外殼的產(chǎn)品中，把金屬外殼當(dāng)作散熱器不失為很好的散熱方案。換熱面積和對流換熱系數(shù)是對流的重要參數(shù)，細(xì)密齒間距散熱器可以加大散熱面積但降低了換流系數(shù)，稀疏齒間距散熱器有更高的換流系數(shù)但散熱面積減少，需綜合它們的乘積獲得最優(yōu)值。散熱器表面進(jìn)行氧化發(fā)黑處理，可以增強輻射換熱效果，在自然對流情況下，輻射換熱作用突出，可以提高25%的散熱量。所以，除非是器件附近有高熱源，否則散熱器表面都應(yīng)涂覆或氧化發(fā)黑處理以提高輻射性能。
圖1是某款核心板采用安裝散熱器的自然散熱方式示例。

圖1 核心板安裝散熱片

2. 強迫風(fēng)冷

強迫風(fēng)冷的實現(xiàn)方式是用風(fēng)扇加劇空氣流動，提高對流換熱系數(shù)來強化換熱能力。在用自然散熱方式實現(xiàn)不了散熱需求時可以采用風(fēng)扇的散熱方案。常用散熱風(fēng)扇有軸流風(fēng)扇和離心風(fēng)扇。軸流風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口平行，特點是風(fēng)量大、風(fēng)壓小、噪聲小，適合風(fēng)阻低但風(fēng)量需求大的場合。離心風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口垂直，風(fēng)量小，風(fēng)壓高，適合風(fēng)阻大風(fēng)量需求小的場合。對于核心板一般采用軸流風(fēng)扇，可分抽風(fēng)設(shè)計和吹風(fēng)設(shè)計：

抽風(fēng)設(shè)計中系統(tǒng)內(nèi)流場比較均勻，適合熱源比較分散的場景；

吹風(fēng)設(shè)計在出風(fēng)口空氣流動狀態(tài)通常是湍流，更適合熱量集中的產(chǎn)品。

抽風(fēng)設(shè)計時器件散發(fā)的熱量經(jīng)過風(fēng)扇時高于環(huán)境溫度，吹風(fēng)設(shè)計時流過風(fēng)扇的空氣是新鮮的未經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)元器件加熱，風(fēng)扇工作在常溫或低溫，所以吹風(fēng)設(shè)計的風(fēng)扇壽命相對更長。

?包含核心板的系統(tǒng)級熱設(shè)計

系統(tǒng)級熱設(shè)計主要考慮核心板在整個系統(tǒng)中的位置布局，核心板應(yīng)與發(fā)熱量大的器件或模塊拉開距離，在冷卻氣流路徑上不應(yīng)把核心板放在發(fā)熱量大的器件或模塊的下游。

M3562 Cortex-A53核心板

四核Cortex-A53

1.8GHz主頻

低成本3568方案