技术资讯 I 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。

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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。

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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！

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