引言

大功率器件、模块或超大规模集成电路在工作过程中有较大的损耗，产生大量的热量使器件或模块的温度升高，若不采取冷却措施，器件的管芯的温度会超过硅片的结温温度（150℃左右），管芯会因过热而烧毁。因此，大功率器件、模块、超大规模集成电路要根据其发热的情况采取各种不同的冷却措施以保证其安全工作。

近年来，不少大功率器件在封装上由穿孔式改成贴片式，这使传统的散热、冷却的结构发生变化，从而开发出不少新型冷却装置及新型温度检测及风扇控制集成电路。这使电路工作更安全、减少噪声及更节能。
本文介绍一些散热器、冷却风扇及风扇控制器集成电路的应用。

器件的热量产生

集成电路是由许多三极管、二极管及电阻等小元器件组成的。每一个小元器件在工作时都有一些损耗。例如，三极管在线性范围工作时，其损耗为Vce×Ic;二极管在工作时，其损耗为VF×IF。这些损耗都转化成热量，是热量产生的原因。

集成度低的IC，损耗小，发热量不大。所产生的热量还可以通过封装材料或金属引脚传到空气中和印制板的敷铜走线上，温升不大，无须采用任何冷却措施。

如果是超大规模集成电路，并且工作在很高频率时，其损耗是很大的。如现代的高速台式计算机或服务器的核心器件CPU，它在工作时会产生大量的热量，使管芯温度很快升到150℃以上，往往需要用带有风扇的专用散热器来冷却。如果在CPU上拿掉带风扇的专用散热器，则CPU会在数分钟内冒烟、烧毁。

有一些大功率器件或模块（如大功率运算放大器、固态继电器），虽然其集成度不高，但若工作于高电压、大电流状态，其自身的功耗也是很大的，即使是大功率三极管、功率MOSFET或IGBT一类分立器件，如果在高频率、高电压、大电流工作条件下，也会产生较高的温度而需要采取合适的冷却措施。

发热与冷却是一对矛盾。在产品设计中尽量选用功耗低的器件，但不可避免地还有不少会产生大量热量的器件，则要进行热计算、设计散热结构。这往往会影响到产品的结构、外形尺寸大小，其设计的好坏还会影响产品的质量及生产成本。

常用的冷却措施

常用的冷却措施有加散热器、冷却风扇、热电冷却器、水冷却器。它们的特点及应用如表1所示。
在台式电子设备中，应用最广的冷却措施是散热器和散热器加冷却风扇。

散热器及其应用实例

这里将介绍一些散热器及其应用实例。

1. 多个散热器的应用实例

在电子设备中往往有多个功率器件，其发热量不同，往往采用不同尺寸、结构的散热器。图1是一个台式计算机中的开关电源（输入功率770W）的内部结构。它有3个散热器（1～3）。1上安装了一个功率器件，而2、3上各安装了3个功率器件。散热器2的功率器件安装情况如图2所示。

由于该电源仅用散热器尚不足达到散热目的，还需采用冷却风扇产生的强气流来加强散热，如图1上部所示（主要冷却散热器2）。

图1 多个散热器的应用实例

图2 散热器2的功率器件安装情况

图3 大型型材散热器

2.大型型材散热器

大型型材散热器如图3所示。上图为输出100W的AC/DC变换器，下图为50W的AC/DC变换器。
3.小尺寸功率器件及小型功率模块的散热器

图4 器件底部有裸露的散热垫

图6 PCB的底部加铝板或散热器

贴片式封装尺寸要比同型号DIP封装的尺寸小得多，不能像CPU一样在顶部加一个小型散热器（其散热效果也不佳）。但不少贴片式功率器件在器件底部有裸露的散热垫（如图4所示），它与PCB的大面积地线连接可达到散热效果。有的器件用增加引脚的方式使热量从引脚传到印制板达到散热的目的。为了更进一步散热，往往在PCB的底部加一块铝板或散热器实现冷却、散热，如图5所示。

冷却风扇

冷却风扇产生强气流将散热器的热量排出机箱以达到冷却的目的。冷却风扇有交流或直流供电（交流为市电），直流供电时有不同的工作电压（如5V、9V、12V、24V等），根据不同的气流量其外型尺寸不同、耗电也不同。

一般常用的是直流轴流型无刷电机组成的冷却风扇，其形状为正方形，尺寸为16mm×16mm～120mm×120mm，其转速从几千个rpm到上万rpm（小型磁悬浮轴承风扇），气流量从零点几个CFM到几十个CFM。选择风扇时还要注意噪声大小及工作寿命。

当电子设备要求较大的气流量时，则要选一台大尺寸的风扇，往往采用2-3台小尺寸的风扇来代替大尺寸风扇，这样可以减小机箱的高度尺寸。

近年来，冷却风扇也不断地改进。例如，为增加转速、减小噪声、提高寿命（风扇损坏往往是轴承损坏开始），开发了磁悬浮轴承的冷却风扇，小尺寸的冷却风扇转速可达17000rpm。为适用于便携式设备的冷却，开发出低功耗、超小型冷却风扇。如型号为F16EA的直流无刷冷却风扇，其尺寸为16mm×16mm×4mm，重1.3g，工作电压3.3V，电流0.02A，气流量为0.43CFM，其噪声甚小，仅4dBa。适合于电池供电的便携式设备用，其外形如图6所示。

一种尺寸较大的San Acc 120直流冷却风扇，其工作电压有12V、24V及48V三种，尺寸为120mm×120mm×38mm，在60℃温度下平均寿命为40000小时，并有转速信号输出，可输入PWM信号对风扇实现调速。这可减小噪声、功耗，并可延长风扇寿命。其风扇外形如图7所示。

温度检测与风扇控制IC

早期的冷却风扇是没有控制的，设备的电源一打开，风扇则全速运行，不管功率器件是否是轻载还是重载或是空载，直到设备的电源关断时，冷却风扇才停止工作。这样电路是简单了，但风扇的噪声大、耗电大，并且风扇的寿命短。

图6 超小型冷却风扇

图7 San Acc120直流冷却风扇

如果能测量功率器件的温度，若其温度不高，则风扇可不工作;若温度超过设定的阈值时，风扇工作;若能根据器件的温度高低用PWM信号来控制转速（调节气流量），使达到温度高时转速高，温度低时转速低，这是最佳的控制方式。另外，能检测风扇的转速，如风扇有故障（如转速下降或转子卡死），则需要系统断电以防止功率器件过热而损坏，这样可更加安全。

近年来，开发出很多温度检测及风扇控制IC。这里仅举一个简单的双温度开关MAX6685,它可以检测CPU或FPGA一类内部有温度传感器的管芯温度，并可由用户设定风扇运行时的低阈值温度（超过低阈值温度时，风扇运行）;另外，还有工厂设定的高阈值温度（120℃或125℃），若风扇有故障停转或减速，使管芯温度超过高阈值温度，给出信号可切断系统电源以保证系统的安全。

图8 MAX6685的应用电路图

图8是MAX6685的应用电路图，功率器件可以是CPU、FPGA（现场可编程门阵列）或专用IC（内部的三极管，利用发射极及基极组成一个PN结的二极管测温传感器，检测管芯的温度）。内部的测温二极管接在DXP及DXN端。S1、S2端为低阈值温度设定端，现S1、S2接地（GND）,低阈值温度为75℃。当超过75℃时，TLOW端输出高电平，外接N-MOSEFT导通，风扇运转对器件实行冷却。若风扇有故障，器件温度升高到超过120℃或125℃时，THIGH输出低电平，此信号使系统电源切断，以保证系统的安全（THIGH内部为开漏结构）。

该器件型号后缀中有L时，其高阈值温度为120℃;后缀后中有H时，其高阈值温度为125℃。另外，型号的后缀中有40时，其低阈值温度范围为+40℃～ +80℃;后缀中有75时，其低阈值温度范围为+75℃～+115℃。低阈值温度由用户设定，S1、S2的接法与设置的低阈值温度值如表2所示。

该温度开关的工作电压为3.3～  5.5V，工作电流平均值为200μA，温度精度为±2℃，采用小尺寸8引脚   μMAX封装。