电子电路板中的稳态与瞬态热传递浅析

本文要点

· 在稳态热传递中，温度是不随时间变化的。
· 在瞬态热传递中，温度是随时间变化的。
· 通过对电路板进行稳态热传递分析，而获得的热通量和温度场图像，可以帮助设计师优化散热片的几何形状和位置。

当把石子投进池塘时，水面会激起层层涟漪，之后又渐渐恢复平静。在这个例子中，静止的水面代表了池塘的稳定状态，而涟漪则代表了一种瞬时状态。

所有热传递过程都会先经历瞬态，最终到达稳态；瞬态热传递就好比池塘里的涟漪。

任何物理过程（例如振荡、振动或热传导）都有稳态和瞬态。所有的过程在经历了瞬态之后，都会达到一个稳定的状态。在稳态热传递中，温度自始至终是恒定的；而在瞬态热传递中，温度随时间而变化。

稳态与瞬态热传递的基本概述

热传递是指，由于温度差异，热能从一个区域传递到另一个区域。热量总是从高温区域流向低温区域。温度梯度是热传的原动力，如果没有温度梯度，净热传递就等于零。热传递有三种传热模式：热传导、热对流和热辐射。无论哪种传热模式，都有稳态和瞬态。

让我们比较一下稳态热传递与瞬态热传递。

1. 稳态传热

如果传热具有特定的恒定传热速率，那么便是稳态传热。稳态传热可以是热传导、热对流或热辐射过程。

图为使用Cadence® Celsius™ Thermal Solver获得的稳态温度场图像，图像中模拟了电子系统周围对流和强制对流的影响。

无论何种传递方式，在稳态传热中，其热流率在任何时间点都保持不变。稳态传热可以用温度作为变量来描述；在稳态传热中，在达到热平衡后，系统的温度不再随时间变化。

2. 瞬态传热

瞬态传热也可称为非稳态传热。这种类型的传热只在短暂的时间内存在。在瞬态传热中，通过介质传递的热能不是恒定的。热流率不断变化，导致热传递率变化的原因可以是介质上的温差波动，也可以是介质属性的变化。

在现实世界中，热传递一开始是瞬态的，然后达到稳态，即达到热平衡。

稳态温度对器件故障率的影响

在电子电路中，当一个器件的稳态温度超过其数据手册中规定的极限时，就会有损器件的寿命。随着稳态温度升高，器件的故障率呈指数级增长。不过，可以通过在器件上安装散热片来控制温度。散热片的几何形状、翅片的长宽比、压力和空气动力学属性都会影响从器件到散热片，以及从散热片到环境的热传递。

Celsius Thermal Solver 可同时提供瞬态和稳态分析。

稳态传热分析

通过稳态传热分析得到电路板的热通量和温度场图像，可以确定是否需要强制对流或散热风扇，优化散热器的几何形状和位置，以及优化计算机处理器外壳的设计。

瞬态传热分析

如果设计师想确定电子电路板的温度曲线与时间的关系，应该进行瞬态传热分析。在器件发热停止的情况下，设计师可以通过瞬态传热分析来确定冷却的速率。当器件重新开始发热时，就可以得知重新发热的速率。

在比较了稳态与瞬态传热分析后，我们可以看出两者都有各自的优点，对于提高电子电路板的热性能而言都是至关重要的。那么，是否可以同时进行稳态与瞬态传热分析呢？

当然可以

Celsius Thermal Solver是 Cadence 推出的业内首款用于完整电热协同仿真系统分析的热求解器，经过生产验证，其大规模并行运算可以在不牺牲精度的前提下提供比现有解决方案加快10倍的性能，并同时提供：

· 瞬态分析和稳态分析，实现精确的电热协同仿真
· 有限元分析（FEA）与计算流体动力学（CFD），实现完整系统分析
· 与Cadence IC、封装和PCB设计实现平台集成，加速并简化设计迭代