智能家居终端散热改良实例

金杰

摘要：随着技术发展和新应用的出现，近年来的国际消费电子展中，智能电子产品是未来几年消费电子产品发展的主流趋势，其中智能互联产品是重中之重，例如家电及相关行业均以打造互联的智能家居、“智慧生活”为目标。智能家居终端同时应运而生，通过终端一机控制整个智能家居环境，方便，快捷。随着智能家居类别与数量的激增，智能家居终端的性能要求愈加苛刻，更随着国内经济的发展，家庭居住面积日益增加，对智能家居终端的覆盖范围要求与日俱增。随性能与覆盖面积同步而来的是终端本身产生的热量，在高温下，电子产品的稳定性与寿命大幅下降，研究分析电子产品的散热就很有必要了。

关键词：智能家居终端；散热；风冷

1研究意义

随着技术发展和新应用的出现，近年来的国际消费电子展中，智能电子产品是未来几年消费电子产品发展的主流趋势，其中智能互联产品是重中之重，例如家电及相关行业均以打造互联的智能家居、“智慧生活”为目标。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居一般通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境，提供全方位的信息交互功能。帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金，智能家居是以住宅为平台，利用綜合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

智能家居终端同时应运而生，通过终端一机控制整个智能家居环境，方便，快捷。随着智能家居类别与数量的激增，智能家居终端的性能要求愈加苛刻。随着国内经济的发展，家庭居住面积日益增加，对智能家居终端的覆盖范围要求与日俱增。随性能与覆盖面积同步而来的是终端本身产生的热量，在高温下，电子产品的稳定性与寿命大幅下降，研究分析电子产品的散热就很有必要了。

2小电子产品常见散热结构

高温对电子产品主要有以下的影响：绝缘性能退化，元器件损坏，材料的热老化，低熔点焊缝开裂，焊点脱落。温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，温度过高还会造成焊点合金结构的变化，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。

最常见的散热方式为风冷和水冷，随着电子设备的体积趋于微型化，系统趋于复杂化，高热密度成了一股不可抗拒的发展趋势。为了适应高热密度的需求，风扇、散热器等传统的散热手段不断推陈出新，智能家居终端是一种微小的控制设备，水冷需要更多的空间，并与外部连接。本文以智能家居终端为实例，针对风冷进行研究分析。

风冷，即用空气作为媒介冷却需要冷却的物体，其散热方式成本低，可靠性高。通常是加大需要冷却的物体的表面积，即增加热辐射面积，或者是加快单位时间内空气流过物体的速率，或是两种方法共用。两种共用是现今最多采用的风冷散热方式。目前风冷散热器的研究热点是将热管与散热器翅片集成在一起，利用热管的高传热能力，将热量均匀地传输到散热片翅片表面，提高翅片表面温度的均匀性，进而提高其散热效率。

3智能家居终端散热改良实例

此智能家居终端采用的是三角形外观设计，很具有时尚感。在此外观下，为达成产品要求，就有很大的考验。

智能家居终端最初的散热方案如下，

智能家居终端散热结构的设计思路是整体以满足热流向上的规律。底部设计两处进风口，顶部设计一处出风口，在温度最高的信号芯片部位，设置散热片与风扇，通过散热片将热量分散，再由风扇转动造成的气流将热流吹走，循环此过程以达到散热的效果。

测试中发现散热效果未达到预期，实际的气流方向未按照设计方向行径，因为三角形内腔的特殊构造，气流从底部向顶部出风口流动时，部分热气流被三角形内壁反射，向下流动，于是在终端内腔形成一个热气流的内循环，如下图所示，从而不断加热元器件，造成智能终端性能低下。

在智能家居终端的设计中，外观是很重要的一部分，家居产品的外观是消费者使用的主要因素之一。终端的进风口及出风口均采用隐蔽设计，并且终端零件的模具均已完成，在无法大幅修改终端结构的形势下，在风扇的出风处增加风道，将风扇吹出的气流直接引导至腔体外，防止热流的内循环，新增出风口依旧为隐蔽型设计，并将顶部出风口修改为进风口。

改善后，智能家居终端内部温度较改善前，下降20℃之多，终端的性能与稳定性显著提高，改善效果显著。

智能家居终端内部整体散热得到改善，但是在局部，功率最高的芯片温度依旧居高不下。此芯片位于风扇下方，设计之初即考虑此处为散热效果最好的位置。此芯片是信号芯片，为保证其正常工作，不受干扰，采用屏蔽罩遮蔽。此芯片散热体系为，芯片一散热硅片一屏蔽罩一散热硅片一散热片一风扇，逐一进行分析。芯片、屏蔽罩、散热片的完全贴合由散热硅片保证，如散热硅片未贴合平整，热传导面积小，会导致散热性能低下。散热片为纯铜件，纯铜是仅次于银的高热传导系数材料，散热片通过增加表面积加速热量的散发，表面的清洁以确保散热效果。此系统从装配到零件，均满足设计要求。经过分析，最终原因为芯片与散热片之间过多的层数，导致热传导效率的低下。芯片-散热硅片-屏蔽罩-散热硅片-散热片，芯片与散热片之前有两层散热硅片，一层屏蔽罩。屏蔽罩采用不锈钢材，且不可去除，不锈钢是一种导热率极低的金属，大幅影响热传导效率，散热硅片虽然有较高的导热率，但是层数多导致厚度较厚，使热传导效率进一步的下降。

4经验总结

随着科技的飞速发展，消费电子产品的日新月异，越来越多的家庭会使用智能家居终端。制约消费电子产品的主要问题就是散热，尤其在产品日益重视轻薄化的大环境下。更好地研究散热问题就是对电子产品的发展提供有利的保障，风冷是大多数消费电子产品采用的散热方式，气流是风冷最重要的元素，从上述例子可以看出，风冷不仅是设计风，而是设计整个风冷的体系才能达到理想的效果。

风冷萨热的核心是散热片紧密接触热源（芯片），芯片的热量传导至散热片上，再由风扇产生的气流将热量带走，如此循环。主要因素如下：

4.1散热片

包括材质与表面处理。市面上最常见的散热片材料为铝合金，铝合金的导热率并不是最好的，其广泛应用是因为价格与加工具有很大的优势。从导热率看，银是最佳材料，其次是铜，价格相对铝合金都高很多。散热片的表面处理多为防止散热片氧化，降低散热性能，但其实表面处理多为镀层及预氧化，也会降低一小部分散热性能，在成本允许情况下，可以使用无氧铜作为散热片的材质，其较高的导热率与不易氧化的特性适合散热要求较高的环境。

4.2风扇

单有一个好的散热片，而不加风扇，表面积再大，其散热效率也不会很高，因为无法对空气进行完全的流通。风扇，转速越高，风量越大，空气的流通越快，散热效果越好。但同时，转速与风扇寿命、噪音成反比，转速越快，寿命越短，噪音越高。由于现今电子产品的更新换代速度极快，寿命基本满足要求，但是对于噪音，在产品设计中是需要重视的，尤其是智能家居产品，放置于家庭的智能家居，没有一个消费者会接受在夜晚，受到噪音的侵袭。

4.3散热硅脂/散热硅片

如何将芯片的热量尽可能多地传导至散热片，就是散热硅脂/硅片的作用。散热硅脂硅片可以填充芯片与散热片之间的间隙，将两者的接触面积最大化，有效化。散热硅脂硅片的选取方针和散热片相同，在兼顾成本的同时，导热率越高越好，热阻越小越好。

设计一个性能良好的风冷结构，必须综合考虑各方面的因素，使其既能满足温度控制的要求，又能达到电气性能指标，类似上述实例中的屏蔽性能，所用的成本最小、结构紧凑、工作可靠、组装简易。而这样一个风冷结构，一系列的技术方案论证和试验必不可少。