By Cadence
本文要點
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在穩態熱傳遞中，溫度是不隨時間變化的 |
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在暫態熱傳遞中，溫度是隨時間變化的 |
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透過對電路板進行穩態熱傳遞分析，而獲得的熱通量和溫度場圖像，可以説明設計師優化散熱片的幾何形狀和位置 |
當把石子投進池塘時，水面會激起層層漣漪，之後又漸漸恢復平靜。在這個例子中，靜止的水面代表了池塘的穩定狀態，而漣漪則代表了一種暫態狀態。
所有熱傳遞過程都會先經歷暫態，最終到達穩態；暫態熱傳遞就好比池塘裡的漣漪
任何物理過程 (例如振盪、振動或熱傳導) 都有穩態和暫態。所有的過程在經歷了暫態之後，都會達到一個穩定的狀態。在穩態熱傳遞中，溫度自始至終是恒定的；而在暫態熱傳遞中，溫度隨時間而變化。
穩態與暫態熱傳遞的基本概述
熱傳遞是指，由於溫度差異，熱能從一個區域傳遞到另一個區域。熱量總是從高溫區域流向低溫區域。溫度梯度是熱傳的原動力，如果沒有溫度梯度，淨熱傳遞就等於零。熱傳遞有三種傳熱模式：熱傳導、熱對流和熱輻射。無論哪種傳熱模式，都有穩態和暫態。
讓我們比較一下穩態熱傳遞與暫態熱傳遞。
穩態傳熱
如果傳熱具有特定的恒定傳熱速率，那麼便是穩態傳熱。穩態傳熱可以是熱傳導、熱對流或熱輻射過程。
圖為使用 Cadence® Celsius™ Thermal Solver 獲得的穩態溫度場圖像，圖像中類比了電子系統周圍對流和強制對流的影響
無論何種傳遞方式，在穩態傳熱中，其熱流率在任何時間點都保持不變。穩態傳熱可以用溫度作為變數來描述；在穩態傳熱中，在達到熱平衡後，系統的溫度不再隨時間變化。
暫態傳熱
暫態傳熱也可稱為非穩態傳熱。這種類型的傳熱只在短暫的時間記憶體在。在暫態傳熱中，透過介質傳遞的熱能不是恒定的。熱流率不斷變化，導致熱傳遞率變化的原因可以是介質上的溫差波動，也可以是介質屬性的變化。
在現實世界中，熱傳遞一開始是暫態的，然後達到穩態，即達到熱平衡。
穩態溫度對零件故障率的影響
在電子電路中，當一個零件的穩態溫度超過其資料手冊中規定的極限時，就會有損零件的壽命。隨著穩態溫度升高，零件的故障率呈指數級增長。不過，可以透過在零件上安裝散熱片來控制溫度。散熱片的幾何形狀、翅片的長寬比、壓力和空氣動力學屬性都會影響從零件到散熱片，以及從散熱片到環境的熱傳遞。
Celsius Thermal Solver 可同時提供暫態和穩態分析
穩態傳熱分析
透過穩態傳熱分析得到電路板的熱通量和溫度場分佈圖，可以確定是否需要強制對流或散熱風扇，優化散熱器的幾何形狀和位置，以及優化電腦處理器外殼的設計。
暫態傳熱分析
如果設計師想確定電子電路板的溫度曲線與時間的關係，應該進行暫態傳熱分析。在器件發熱停止的情況下，設計師可以透過暫態傳熱分析來確定冷卻的速率。當器件重新開始發熱時，就可以得知重新發熱的速率。
在比較了穩態與暫態傳熱分析後，我們可以看出兩者都有各自的優點，對於提高電子電路板的熱性能而言都是至關重要的。那麼，是否可以同時進行穩態與暫態傳熱分析呢？
當然可以！
Celsius Thermal Solver 是 Cadence 推出的業內首款用於完整電熱協同模擬系統分析的熱求解器，經過生產驗證，其大規模並行運算可以在不犧牲精度的前提下提供比現有解決方案加快 10 倍的性能，並同時提供：
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暫態分析和穩態分析，實現精確的電熱協同模擬 |
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有限元分析 (FEA) 與計算流體動力學 (CFD)，實現完整系統分析 |
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與 Cadence IC、封裝和 PCB 設計實現平臺集成，加速並簡化設計迭代 |
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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