散热器性能参数及优化方向

电子产品散热器设计不可避免的应用到散热器，对于散热器而言，提及最多的莫过于散热器热阻值。散热器供应商在介绍产品时也都会提及其散热器热阻可以达到多少。然而，这些所谓热阻值在实际产品应用中似乎并不完全一致，到底是什么原因导致的呢？

1. 散热器性能参数

散热器性能参数不止是热阻，还有非常关键的流阻，在实际系统中需要综合考虑这两个参数。

以一个标准肋片型型材散热器为例，我们既希望获得足够小的热阻，又希望获得足够小的流阻，然而小的热阻和大的流阻往往伴随而生。在相同的材料、肋片尺寸、基板尺寸等条件下，相同的无旁通（bypass）的热阻测试条件下，肋片数量越多，散热器的换热面积就越大，那么所测得的散热器热阻自然就越小，带来的不利因素就是散热器的流阻会增加。

下图是一个50X20X12mm的铝型材散热器的热阻及流阻仿真分析曲线，在散热器的两侧及顶部各有5mm的旁通，如下图1所示：

图1 散热器热阻及流阻曲线

从图中可以看出：

（1）随着来流风速的增加，散热器热阻降低，但风速达到一定值后，这种趋势越来越平缓；

（2）随着来流风速的增加，流阻会持续增加。

这也可以看出，为什么随着器件功耗的日益增加，强迫风冷散热已达到散热瓶颈。因为在散热空间有限的情况下，持续增加系统风量并不能有效的提升散热能力，也不是最佳解决方案，反而风扇功耗会急剧增加（功耗与转速为三次方关系），降低系统设备散热的能效比。

对于焊接类散热器，比如热管散热器，VC散热器，3D VC散热器等高端散热器，供应商通常会进行热阻测试，提供散热器的热阻数据。但在没有要求的情况下，一般不会提供流阻数据，建议在散热器选型设计时，由供应商提供或自行测试散热器的热阻和流阻数据，根据散热器的热阻和流阻，综合考虑最佳散热方案。

2. 旁通对散热器性能的影响

然而散热器在一个系统设备中，散热器对于系统提供的风量来流而言很难说是无旁通的，尤其对于低功耗器件。尽管在大部分系统设计中，会通过设计导风罩，导风板等结构尽量使气流通过散热器，供应商所提供的热阻值与实际系统也是千差万别。

图2是同一款散热器，在两种风道结构下所模拟的散热器热阻值，蓝色柱状图为散热器两侧及顶部均为5mm旁通下的散热器热阻，橙色柱状图则为没有旁通的结果，可以看出所获得散热器热阻差异巨大。

图2 旁通对散热器热阻的影响

图3可以看出，旁通对所获得的散热器流阻影响更为明显。

图3 旁通对散热器流阻的影响

从上面的数据可以看出，旁通对散热器的流阻和热阻有着明显的影响。因此，在散热器热阻测试时，需要明确风道搭建时的旁通值，任何散热器热阻值的表述都应基于明确的测试或仿真分析的边界条件。

在实际散热器性能摸底测试时，可以根据具体应用情况，选择合适的旁通尺寸数据，以便sh地从理论上评估散热是否满足需求，对于设置独立导风罩的可以将旁通设置为导风罩与散热器本体的间隙尺寸，对于无导风罩的情况可以适当增加旁通尺寸，更好地体现真实的系统情况。

3. 如何提高散热器性能

对于散热器而言，横截面的面积对散热器性能影响更为明显，因为截面积的增加意味着更多的冷却空气可以通过散热器。散热器长度的增加会降低散热器的热阻，但散热器的流阻也会增加，在有旁通的情况下，流阻的增加会减少通过散热器的冷却空气。

散热器的基板和散热器肋片的均温性对散热器的热阻有着明显的影响，最为理想的设计就是整个散热器的温度是一致的。在实际散热器的设计中，通常采用在散热器基板上布局热管来实现基板均温，当散热器高度尺寸较大时采用热管进行肋片的均温，如CPU散热器从1U到2U的变化，通过1U散热仅在基板上布设热管进行基板均温，2U散热器则采用热管穿FIN形式对产品进行均温。对于功耗更大的散热器可以采用VC（Vaper Chamber）均温板来实现。同样，对于肋片高度尺寸较大的情况，对于焊接型散热器往往会通过热管穿FIN的方式来概述肋片的均温性。