“冰封散热”技术详解

作者:孙宇晨 来源:www.5idf.cn 2020-03-09   阅读:

因为疫情的原因,春节后大家多被困在家里一段时间。但是在这期间小米同学没闲着,雷布斯线上发布了冲击高端市场的旗舰手机小米10,虽然我不算小米的粉丝,即使某些高管天天微博搞营销口嗨烦到爆,但是一直对面相憨厚的技术人雷布斯颇有好感。今天聊聊发布会上的一个小产品,这名字取得好——冰封散热背夹。

这个美女的颜值不错!

产品价格129,不算便宜,但对手机真的发烧来说应该还比较实用。抛开产品宣传中利用信息不对称的一些夸大其词,例如和电脑散热器对比。我要讲的是这个其实很常见的散热产品的核心原理——半导体制冷技术TEC。那真的是一点也不高大上,一点也不黑科技。

核心就是图中的制冷晶片,这是利用一个神奇的效应,根据电流方向决定散热还是制冷,因为效率问题常用于各种小功率温控场合,如激光器、探测器和各类便携设备制冷等。甚至可以做个小冰箱。这个散热夹明显不用温控,只是单向制冷而已,功率也不会很大。下面挖挖该技术原理与应用:

一、基本原理

赛贝克效应与珀尔贴效应:

赛贝克效应是指同一回路中的两种金属分别处于不同温度时,会在回路中产生电流。

珀尔贴效应是指同一回路中的两种金属连接通电后,两个金属节点之间出现温差。

显然,这二者互为逆向效应。热电偶测温原理即源于此。

碲化铋是目前TEC制冷器中应用最多的半导体材料,在实际应用中的结构为多个PN热电偶对组合排列。

二、驱动设计

TEC的控制使用比较简单,给电源就行,当然,一般还是需要温度检测回路的。

如果直接供电工作电压,TEC会以最大功率工作,不同的功率会达到不同的温差效果。而且和安装及外部散热关系甚大。可以实现零下数十度的低温环境。

 

现在有不少成熟的IC控制器可以直接选用,如MAXMAX8520,采用的是外部PID控制。

国产SLMIC采用的是更加集成化的设计。

三、应用设计

TEC制冷器在现在的电子设备中应用非常广泛,尤其是在小功率的精密温度控制场合中。主要原因有几点:

1、静态制冷。只需要通电即可,没有任何移动或流动物质。

2、体积小。对比于机械式制冷方式而言,体积优势非常大。

3、可升温可降温。单一器件实现两种功能,传统制冷方式无法比拟。

4、控制精度高。通过热敏电阻形成反馈控制,精度可以达到很高。

5、可靠性好。整体结构为固态基,运行时亦无干扰,运行寿命很长。

 

TEC的应用设计中最常见重要的一点是散热设计,直接决定工作效果和使用寿命。一般散热方式有几种:

1  自然对流。利用空间散热,最重要的就是通风,并避免散热干扰。

2  强制对流。利用风扇等,充分考虑气流方向,尽可能增大散热面。

3  液冷。最高效散热,需要复杂结构和空间,特殊场合才会考虑。

 

安装方式是决定可靠性的重要一点,常见安装有几种:

1、螺钉夹紧固定。用螺钉将TEC和结构体挤压一起,需要保证接触面的平整度,有时需要导热硅脂,并且严格注意压力强度。

2、树脂胶黏结。这种方式使用简单,直接黏结固化。但是考虑不同物质的热膨胀系数差异,一般厂家不推荐在较大的TEC上使用,而且在真空中使用时也得注意避免漏气。

3、焊接。直接将TEC焊接到结构上,最重要的是避免TEC过热,有的厂家会推荐这种方式,直接利用TEC的加热功能将自身焊接到结构上。同样因为膨胀系数的原因,尺寸较大的应用中不建议使用。

TEC的实际结构:

四、技术小结

根据经验,TEC的应用设计要点是在安装和使用上。如安装方式不当造成应力损坏,安装不到位导致的散热问题造成失效,使用环境的湿度太大,环境温度过高等等。我们的产品中经常使用TEC,但是依然经常被各种偶然失效问题搞得摸不着头脑,应用环境差异大,安装生产过程管控难,解决这种问题恐怕只有多试验验证了。

在驱动设计中最好采取电压和电流保护措施避免电应力损坏,TEC不算值钱,但是和它温控相关的精密设备实在伤不起。因此在TEC的应用中应该多注意,最好咨询对应厂家确定可靠的设计和应用工艺流程,目前供应厂家主要有大和热磁、马洛、菲尔德等。

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