ZLG嵌入式笔记 | ZLG核心板散热设计指引

在嵌入式系统设计中，散热是影响处理器性能与稳定性的关键问题。本文聚焦于高端嵌入式处理器的散热设计，探讨核心板的热设计与系统级热设计方法，以及导热材料和布局的建议，为解决高温问题提供参考。

用高端嵌入式处理器设计系统，散热是一个避不开的问题。就算标称工业级处理器，在进行环境温度实测的时候，都需要加散热片才能通过。在不加散热器的情况下，处理器的结温和环温，一般相差可在20℃~50℃范围内，加上散热片后，温差可大幅度缩小。如果一个处理器标称结温为105℃，如果不加散热片，大概率是过不了85℃的高温测试的。在封闭的高温测试环境下，结温和环温的温差通常会超过30℃。

选用ZLG的核心板，如果处理器主频超过1GHz，多核处理器，通常都需要考虑散热需求，特别是带GPU和NPU的芯片，在运行GPU和NPU的时候发热量急剧上升，更是需要散热片，否则可能会出现一些异常：

1. 当环境温度升高，处理器运行速度下降，界面卡顿或者通信延迟增加；

2. 高温下系统意外重启，或者出现界面黑屏。

如果产品本身还是封闭式设计，那更需要在散热上下功夫。

使用核心板的热设计主要涉及两个大方面：核心板本身的热设计、包含核心板的系统级热设计。

核心板本身的热设计

核心板在设计之初已经融入了热设计理念，使用的时候只需关注发热量大的器件（一般为MPU，有时也包括DDR和eMMC），对其散热处理即可。散热方式主要有自然散热、强迫风冷、强迫液冷，其中致远电子的核心板一般选择自然散热和强迫风冷，最终选择何种散热方式需结合工作温度、器件结温、器件功耗等因素。通过调试指令读出MPU的结温可以知道MPU散热的实际效果，如果裸机能满足MPU结温条件甚至都可以不用额外加散热处理。

1. 自然散热

自然散热是指物体通过热传导、对流和辐射等方式将热量传递给周围环境的过程，实现方法是发热器件通过散热器把热量传递到环境中。散热路径为发热器件→导热界面材料→散热器→环境。核心板的发热器件一般为MPU，导热界面材料主要有导热硅脂、导热硅胶片、导热相变片、导热凝胶等，常见的散热器材质主要是铝合金和铜合金，它们的导热效能和经济性综合表现较好。

对于核心板来说，导热界面材料推荐选择导热硅胶片，其优点是导热性能稳定，耐高温，电绝缘，很好的柔软度可以弥合一定程度的结构件高度差。在选型导热硅胶片时一项很重要的参数是导热系数，导热系数在市面上以3W/(m.K)居多，也有5W/(m.K)、8W/(m.K)。曾经在同一核心板使用同一个散热器对比测试过3W/(m.K)和5W/(m.K)的导热硅胶片，80℃环境温度下，使用5W/(m.K)导热硅胶片读取的MPU结温比使用3W/(m.K)导热硅胶片时低5℃。从对比测试结果看导热硅胶片的导热系数对散热效果影响是比较大，应综合测试和成本选择合适的导热硅胶片。

热量传导有三种基本方式：热传导、对流、辐射，这可作为散热器设计的根据。导热系数和导热截面积是热传导中影响传热效率的关键参数。铜合金比铝合金导热系数高，但成本相对较高，需综合考量。加大齿厚、基板厚度、导热截面积改善散热性能需综合考量系统级空间，在有金属外壳的产品中，把金属外壳当作散热器不失为很好的散热方案。换热面积和对流换热系数是对流的重要参数，细密齿间距散热器可以加大散热面积但降低了换流系数，稀疏齿间距散热器有更高的换流系数但散热面积减少，需综合它们的乘积获得最优值。散热器表面进行氧化发黑处理，可以增强辐射换热效果，在自然对流情况下，辐射换热作用突出，可以提高25%的散热量。所以，除非是器件附近有高热源，否则散热器表面都应涂覆或氧化发黑处理以提高辐射性能。
图1是某款核心板采用安装散热器的自然散热方式示例。

图1 核心板安装散热片

2. 强迫风冷

强迫风冷的实现方式是用风扇加剧空气流动，提高对流换热系数来强化换热能力。在用自然散热方式实现不了散热需求时可以采用风扇的散热方案。常用散热风扇有轴流风扇和离心风扇。轴流风扇进风口与出风口平行，特点是风量大、风压小、噪声小，适合风阻低但风量需求大的场合。离心风扇的进风口与出风口垂直，风量小，风压高，适合风阻大风量需求小的场合。

对于核心板一般采用轴流风扇，可分抽风设计和吹风设计：

1. 抽风设计中系统内流场比较均匀，适合热源比较分散的场景；

2. 吹风设计在出风口空气流动状态通常是湍流，更适合热量集中的产品。

抽风设计时器件散发的热量经过风扇时高于环境温度，吹风设计时流过风扇的空气是新鲜的未经系统内元器件加热，风扇工作在常温或低温，所以吹风设计的风扇寿命相对更长。

包含核心板的系统级热设计

系统级热设计主要考虑核心板在整个系统中的位置布局，核心板应与发热量大的器件或模块拉开距离，在冷却气流路径上不应把核心板放在发热量大的器件或模块的下游。