智能家居終端散熱改良實例

金杰

摘要：隨著技術發(fā)展和新應用的出現(xiàn)，近年來的國際消費電子展中，智能電子產(chǎn)品是未來幾年消費電子產(chǎn)品發(fā)展的主流趨勢，其中智能互聯(lián)產(chǎn)品是重中之重，例如家電及相關行業(yè)均以打造互聯(lián)的智能家居、“智慧生活”為目標。智能家居終端同時應運而生，通過終端一機控制整個智能家居環(huán)境，方便，快捷。隨著智能家居類別與數(shù)量的激增，智能家居終端的性能要求愈加苛刻，更隨著國內經(jīng)濟的發(fā)展，家庭居住面積日益增加，對智能家居終端的覆蓋范圍要求與日俱增。隨性能與覆蓋面積同步而來的是終端本身產(chǎn)生的熱量，在高溫下，電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性與壽命大幅下降，研究分析電子產(chǎn)品的散熱就很有必要了。

關鍵詞：智能家居終端；散熱；風冷

1研究意義

隨著技術發(fā)展和新應用的出現(xiàn)，近年來的國際消費電子展中，智能電子產(chǎn)品是未來幾年消費電子產(chǎn)品發(fā)展的主流趨勢，其中智能互聯(lián)產(chǎn)品是重中之重，例如家電及相關行業(yè)均以打造互聯(lián)的智能家居、“智慧生活”為目標。智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、智能家居系統(tǒng)設計方案安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居一般通過物聯(lián)網(wǎng)技術將家中的各種設備連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉發(fā)以及可編程定時控制等多種功能和手段。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡通信、信息家電、設備自動化，集系統(tǒng)、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，提供全方位的信息交互功能。幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金，智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

智能家居終端同時應運而生，通過終端一機控制整個智能家居環(huán)境，方便，快捷。隨著智能家居類別與數(shù)量的激增，智能家居終端的性能要求愈加苛刻。隨著國內經(jīng)濟的發(fā)展，家庭居住面積日益增加，對智能家居終端的覆蓋范圍要求與日俱增。隨性能與覆蓋面積同步而來的是終端本身產(chǎn)生的熱量，在高溫下，電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性與壽命大幅下降，研究分析電子產(chǎn)品的散熱就很有必要了。

2小電子產(chǎn)品常見散熱結構

高溫對電子產(chǎn)品主要有以下的影響：絕緣性能退化，元器件損壞，材料的熱老化，低熔點焊縫開裂，焊點脫落。溫度對元器件的影響：一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會降低電容器的使用壽命；高溫會使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降，溫度過高還會造成焊點合金結構的變化，焊點變脆，機械強度降低；結溫的升高會使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加，導致集電極電流增加，又使結溫進一步升高，最終導致元件失效。

最常見的散熱方式為風冷和水冷，隨著電子設備的體積趨于微型化，系統(tǒng)趨于復雜化，高熱密度成了一股不可抗拒的發(fā)展趨勢。為了適應高熱密度的需求，風扇、散熱器等傳統(tǒng)的散熱手段不斷推陳出新，智能家居終端是一種微小的控制設備，水冷需要更多的空間，并與外部連接。本文以智能家居終端為實例，針對風冷進行研究分析。

風冷，即用空氣作為媒介冷卻需要冷卻的物體，其散熱方式成本低，可靠性高。通常是加大需要冷卻的物體的表面積，即增加熱輻射面積，或者是加快單位時間內空氣流過物體的速率，或是兩種方法共用。兩種共用是現(xiàn)今最多采用的風冷散熱方式。目前風冷散熱器的研究熱點是將熱管與散熱器翅片集成在一起，利用熱管的高傳熱能力，將熱量均勻地傳輸?shù)缴崞崞砻?，提高翅片表面溫度的均勻性，進而提高其散熱效率。

3智能家居終端散熱改良實例

此智能家居終端采用的是三角形外觀設計，很具有時尚感。在此外觀下，為達成產(chǎn)品要求，就有很大的考驗。

智能家居終端最初的散熱方案如下，

智能家居終端散熱結構的設計思路是整體以滿足熱流向上的規(guī)律。底部設計兩處進風口，頂部設計一處出風口，在溫度最高的信號芯片部位，設置散熱片與風扇，通過散熱片將熱量分散，再由風扇轉動造成的氣流將熱流吹走，循環(huán)此過程以達到散熱的效果。

測試中發(fā)現(xiàn)散熱效果未達到預期，實際的氣流方向未按照設計方向行徑，因為三角形內腔的特殊構造，氣流從底部向頂部出風口流動時，部分熱氣流被三角形內壁反射，向下流動，于是在終端內腔形成一個熱氣流的內循環(huán)，如下圖所示，從而不斷加熱元器件，造成智能終端性能低下。

在智能家居終端的設計中，外觀是很重要的一部分，家居產(chǎn)品的外觀是消費者使用的主要因素之一。終端的進風口及出風口均采用隱蔽設計，并且終端零件的模具均已完成，在無法大幅修改終端結構的形勢下，在風扇的出風處增加風道，將風扇吹出的氣流直接引導至腔體外，防止熱流的內循環(huán)，新增出風口依舊為隱蔽型設計，并將頂部出風口修改為進風口。

改善后，智能家居終端內部溫度較改善前，下降20℃之多，終端的性能與穩(wěn)定性顯著提高，改善效果顯著。

智能家居終端內部整體散熱得到改善，但是在局部，功率最高的芯片溫度依舊居高不下。此芯片位于風扇下方，設計之初即考慮此處為散熱效果最好的位置。此芯片是信號芯片，為保證其正常工作，不受干擾，采用屏蔽罩遮蔽。此芯片散熱體系為，芯片一散熱硅片一屏蔽罩一散熱硅片一散熱片一風扇，逐一進行分析。芯片、屏蔽罩、散熱片的完全貼合由散熱硅片保證，如散熱硅片未貼合平整，熱傳導面積小，會導致散熱性能低下。散熱片為純銅件，純銅是僅次于銀的高熱傳導系數(shù)材料，散熱片通過增加表面積加速熱量的散發(fā)，表面的清潔以確保散熱效果。此系統(tǒng)從裝配到零件，均滿足設計要求。經(jīng)過分析，最終原因為芯片與散熱片之間過多的層數(shù)，導致熱傳導效率的低下。芯片-散熱硅片-屏蔽罩-散熱硅片-散熱片，芯片與散熱片之前有兩層散熱硅片，一層屏蔽罩。屏蔽罩采用不銹鋼材，且不可去除，不銹鋼是一種導熱率極低的金屬，大幅影響熱傳導效率，散熱硅片雖然有較高的導熱率，但是層數(shù)多導致厚度較厚，使熱傳導效率進一步的下降。

4經(jīng)驗總結

隨著科技的飛速發(fā)展，消費電子產(chǎn)品的日新月異，越來越多的家庭會使用智能家居終端。制約消費電子產(chǎn)品的主要問題就是散熱，尤其在產(chǎn)品日益重視輕薄化的大環(huán)境下。更好地研究散熱問題就是對電子產(chǎn)品的發(fā)展提供有利的保障，風冷是大多數(shù)消費電子產(chǎn)品采用的散熱方式，氣流是風冷最重要的元素，從上述例子可以看出，風冷不僅是設計風，而是設計整個風冷的體系才能達到理想的效果。

風冷薩熱的核心是散熱片緊密接觸熱源（芯片），芯片的熱量傳導至散熱片上，再由風扇產(chǎn)生的氣流將熱量帶走，如此循環(huán)。主要因素如下：

4.1散熱片

包括材質與表面處理。市面上最常見的散熱片材料為鋁合金，鋁合金的導熱率并不是最好的，其廣泛應用是因為價格與加工具有很大的優(yōu)勢。從導熱率看，銀是最佳材料，其次是銅，價格相對鋁合金都高很多。散熱片的表面處理多為防止散熱片氧化，降低散熱性能，但其實表面處理多為鍍層及預氧化，也會降低一小部分散熱性能，在成本允許情況下，可以使用無氧銅作為散熱片的材質，其較高的導熱率與不易氧化的特性適合散熱要求較高的環(huán)境。

4.2風扇

單有一個好的散熱片，而不加風扇，表面積再大，其散熱效率也不會很高，因為無法對空氣進行完全的流通。風扇，轉速越高，風量越大，空氣的流通越快，散熱效果越好。但同時，轉速與風扇壽命、噪音成反比，轉速越快，壽命越短，噪音越高。由于現(xiàn)今電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度極快，壽命基本滿足要求，但是對于噪音，在產(chǎn)品設計中是需要重視的，尤其是智能家居產(chǎn)品，放置于家庭的智能家居，沒有一個消費者會接受在夜晚，受到噪音的侵襲。

4.3散熱硅脂/散熱硅片

如何將芯片的熱量盡可能多地傳導至散熱片，就是散熱硅脂/硅片的作用。散熱硅脂硅片可以填充芯片與散熱片之間的間隙，將兩者的接觸面積最大化，有效化。散熱硅脂硅片的選取方針和散熱片相同，在兼顧成本的同時，導熱率越高越好，熱阻越小越好。

設計一個性能良好的風冷結構，必須綜合考慮各方面的因素，使其既能滿足溫度控制的要求，又能達到電氣性能指標，類似上述實例中的屏蔽性能，所用的成本最小、結構緊湊、工作可靠、組裝簡易。而這樣一個風冷結構，一系列的技術方案論證和試驗必不可少。