温度 电子产品不能承受之重

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  对电子产品来说,散热是一个永恒的主题。每个夏季,散热问题总会让我们更多地关注——毕竟在气温较高的环境下,同样的发热状况会造成电子产品具有更高的温度。夏天让我们难以忍受炎热的煎熬,电子产品也一样。由于较高的发热量会使某些产品的温度大幅度提高,无论对于产品的使用还是产品的安全,甚至对我们使用的舒适度,都会造成影响。
  
  发热不可避免
  
  可以说只要是电子产品,就不可能避免存在发热的问题,这是由电的热效应决定的。只要电路中有电流,就会有发热的现象存在。而在我们使用的电脑等IT产品中,高度集成化的设计,往往让一个芯片在很小的面积内容纳了超大规模的集成电路,而我们对于性能的追求往往让芯片的运行频率、电压等大幅提升,这样的设计就会让局部的高频率、高电压造成高发热的状况。热量没有更好地散发的话,就会造成温度升高。
  此外,IT产品中的很多部件也会造成较高的温度。例如硬盘在高速转动过程中因为轴承摩擦的作用会造成温度的升高,投影机的灯泡实现高亮度的同时也用高功率换来了高发热,就连光驱在高速转动的时候也会令光盘与空气磨擦造成高温,显示器的背光、电池工作状态的发热等等都会造成整个电子产品的温度上升。
  
  危害的多样性
  
  发热带来的直接后果就是高温,而高温的危害是多样的。
  比较常见的首先是高温对性能的影响。目前的CPU设计大多采用温度过高时自动降低性能的保护方案,这样就会在温度升高到一定程度的时候损失性能。在我们实际应用中明显感觉到当性能降低时,电脑可能完全停滞下来。
  高温的另一个负面效应是能源消耗。目前绝大多数电脑都可以做到智能化散热,在温度高的时候,散热风扇的转速加快,用更大的气流实现更好的散热。风扇转速提高会耗更多的电,在台式机上没有明显感觉,但是在笔记本电脑上风扇的耗电影响到整个笔记本电脑的使用时间——毕竟电池的能源有限,被风扇消耗就会影响其他部分的使用。
  更可怕的状况是高温可能导致硬件的损伤,微软XBox的“三红”问题据了解就是因为散热设计不完善所引起的。因为XBox内的空间比较狭小,光驱的位置影响到CPU的散热,如果长期使用致使CPU温度过高,可能导致焊点熔化甚至脱落,造成机器的损伤。
  熔化焊点还能够维修,但是高温可能引起的进一步损伤则是致命的。相信大家都看过几年前网上流传的那个CPU被烧毁的视频,在没有散热保证的情况下,CPU温度立即达到了370℃,CPU被烧毁。
  显然,做好散热工作对于性能、节能及硬件的安全十分重要。 散热需要主动
  其实散热技术早在电子产品出现之前就已经出现了,毕竟在没有电子产品的时代我们就有了物体散热的需求。然而必须承认,目前的散热技术还是处于比较被动的状况,我们只能依靠高温物体将热量散发到低温物体或环境中去的方式。电子产品上有多种不同的散热方式,其中常用的有被动散热、主动散热等方案。
  被动散热就是让相应的配件裸露在空气中,如果需要还可为它加上散热片增大散热面积。被动散热主要应用于发热量不是很大的芯片或电路,一般情况下即使没有散热片也不会影响正常运行。
  主动散热就是我们常见的散热风扇,一般情况下都使用散热片加风扇的方式实现,其中散热片主要用于增大散热表面积,而风扇用于将散热片上的热量与空气进行热交换,降低整体温度。
  主动散热是目前最常见的散热方式,我们本次专题也以主动散热为主。
  液冷是主动散热的一种,在普通的风扇加散热片的基础上,使用液体导热或者热管导热等方式让热量尽快远离热源。由于液体的比热比空气更大,使用液冷可以带来更好的散热效果。笔记本电脑中多见热管设计,主要是为了在较小的空间中更好散热。
  
  传统的散热设计
  
  联想昭阳K12采用的是比较传统的散热设计。目前绝大多数笔记本电脑都采用类似的散热设计。我们选择它作为例子有另一方面的原因,那就是昭阳K12在外观上对于散热的设计。
  从笔记本电脑的下方可以看到,昭阳K12在底面设计了多个散热隔栅,相比普通的笔记本电脑设计,类似的散热隔栅并不多见。根据位置可以看出散热隔栅分别处于CPU、硬盘、内存、触摸板下方。这些散热隔栅可以为相应部位提供更多的气流流入,提高相关位置的散热能力。
  而值得一提的是这些散热隔栅的设计并不像常见的散热隔栅形式那样简单,它没有采用常规的平行栅栏设计,而是采用了折线组合的方式。在笔者看来这样的设计含有中国古代建筑上描金花边的效果,让人感到文化味十足。
  
  在内部散热结构上,昭阳K12的设计较为传统,采用了下侧面CPU、热管导热、风扇主动散热的设计,其中CPU位置基本居中,因此散热口设计在笔记本电脑的左侧正中。按照我们使用电脑的习惯,大多采用右手控制外接鼠标的方式,左侧的出风口不会对我们使用造成影响。不过需要注意的是应该避免在笔记本电脑的左侧放置其他物体影响散热。
  通过对底面的观察我们能够注意到,昭阳K12在CPU下侧打开的散热隔栅在CPU偏右侧的位置,正好与风扇的方向相对。这样的结构可以在笔记本电脑内部实现一定的空气流动,让机箱外部的冷空气更多地进入。
  此外,键盘下方的电磁屏蔽板在实现电磁屏蔽的同时还与固定CPU的金属结构连接,对散热有一定的辅助作用。
  
  笔记本电脑散热设计
  
  笔记本电脑的散热问题一向受我们关注,毕竟在很多情况下,笔记本电脑被定义为“膝上型”电脑,偶尔我們把它抱在腿上使用时,如果笔记本电脑散热不好,直接影响我们的感受——把一个暖炉抱在身上,在夏季自然很不好受。
  笔记本电脑的发热问题体现得较为直观,我们对笔记本电脑散热问题也较为重视。
  笔记本电脑的发热集中在CPU、硬盘两部分。其中CPU发热主要是因为电的热效应,依靠更高的频率和更高功率实现更高性能的同时,随之而来的就是CPU的高温。CPU散热问题有两个思路处理,一方面是针对笔记本电脑设计的移动处理器对电压、功率等方面进行控制,保证节能和低发热量;另一方面,笔记本电脑大多为CPU设计了较好的散热系统,比较常见的结构是利用热管将CPU的热量导出,通过风扇制造专门的空气流通,实现较好的散热效果。
  硬盘发热的主要原因在于高速转动的机械结构,这种因摩擦造成的发热主要通过对转速进行控制来减小。随着SSD的发展,部分笔记本电脑已经开始采用SSD或者混合硬盘作为主要存储设备,在一定程度上也可以降低硬盘机械部分的使用率,避免温度升高。
  集中处理散热需求
  选择ThinkPad X300进行散热讨论主要是考虑到它的超薄设计。
  我们都知道,超薄设计的笔记本电脑内部空间更狭小,狭小的空间一向是散热的大敌。这也让我们有兴趣探究一下X300的散热设计。
  摘下X300的键盘,我们可以看到X300的结构比一般的笔记本电脑更加简单,整个笔记本电脑的电路板只有笔记本电脑面积的一半,而另一侧则被光驱占据。摘下光驱之后,整个X300笔记本电脑的内部变得十分宽阔,显然,更高集成度的设计是X300解决散热问题的关键。
  
  从电路结构上看,X300的散热设计可以算得上独到。按照常规的思路,笔记本电脑中的CPU发热量较大,主板北桥芯片由于大多含有显示单元,也可能具有较大的发热量。而在常见的笔记本电脑甚至台式机中,对于北桥芯片大多采用被动散热,有一个散热片足矣,考虑到温度的影响往往会将CPU和北桥芯片设计在相距较远的位置上。而在X300内部,CPU和北桥芯片被设计在一起,集中在笔记本电脑左上角的位置。而在散热问题上,X300为两个芯片设计了一个较大的散热片,使用风扇进行主动散热。这样的设计既减小了整个电路板的面积,又保证了两颗芯片的散热。
  从X300的下侧我们可以看到,在左侧主动散热的散热隔栅附近,围绕CPU和北桥芯片还有一组环绕的进气口,这是因为X300采用了下侧CPU的设计,这一组进气口在风扇进行主动散热的时候,可以产生气流通过CPU、北桥芯片表面,可以辅助散热。
  另外,X300选用固态硬盘令硬盘部分发热量降低,对整机散热也有一定好处,毕竟减少了一个较大的热源,让其他部分散热更容易。
  
  对ATX架构散热的增强考虑
  
  Dell vostro 200采用ATX结构,不过它的机箱比普通的ATX机箱更小巧,特别是机箱采用瘦身设计,使用矮版插卡,让机箱的厚度仅相当于传统ATX机箱的一半,这样小巧的机箱内部空间更狭小,没有专门的散热设计显然不合格。
  
  事实上,vostro 200的散热设计比较简单,与常见的“38℃”机箱十分相似,同样是在机箱侧面正对着CPU的位置开辟一个风道,让机箱外部温度比较低的空气可以由散热风扇源源不断地吹到CPU散热片上。相比普通立式ATX结构,vostro 200将电源移至机箱最下面,这样就可以将CPU风扇调整到机箱的最上端,在这个基础上,最有效的散热设计是在机箱上面留出了一个专门的风道开口,与CPU上安装的散热风扇合成一个完整的风道,气流从侧面进入,经过CPU表面从机箱上面排出,使流动空气的温度保持在最低状态,保证更好的散热效果。
  在vostro 200上,散热的设计几乎仅对CPU产生作用,不过毕竟这个机箱还是采用ATX规范设计,内部空间相比其他的小型机箱更宽敞,再加上其他配件的实际发热量并不大,整机的运行状况比较稳定。
  
  发挥笔记本电脑配件的低温特色
  
  Dell EC280是一个超小设计的机箱,这个机箱仅比《现代汉语词典》大一点,如此紧凑的机箱怎样处理散热自然是我们关心的问题。
  EC280的结构可以分为上下两层,上层是硬盘和光驱,几乎完全把机箱封闭起来,下层才是主板、CPU、内存等散热大户。
  然而整个机箱的散热设计特别简单,仅仅在机箱角落里面设计了一个风扇,这主要是因为整台电脑除了硬盘和光驱外,大多采用笔记本电脑配件,CPU是笔记本电脑的低电压CPU,有效减少散热;内存也采用笔记本电脑的内存,在降低功耗的同时也回避了发热问题。
  值得一提的是,EC280里面没有设计电源,而是像笔记本电脑那样采用外置电源适配器的设计,这样的设计一方面可以对减小机箱体积做贡献,另一方面可以减少电源这样一个热源在机箱中对散热产生的压力。
  
  BTX架构的优势
  
  HP Compaq dc7800展现了小型机箱设计的另一个特色,dc7800采用BTX结构,这样的结构已经在很多品牌机中出现,BTX机箱结构更加紧凑,而由于机箱设计专门对散热进行加强,所以散热效果较好。
  在dc7800中,散热由两组风扇完成,其中一组位于机箱前面右侧,按照BTX规范这个风扇正对着CPU的位置,而CPU上面覆盖的散热片同时构成了进气风道,保证气流能够更好地带走CPU的热量。
  CPU处的散热片采用热管设计,这样的结构可以让CPU的高温更快传导到散热片上。
  通过CPU上方的风道后,北桥芯片的散热片正好在这个风道的尾部,可以辅助散热。
  另一个风扇位于机箱后方左侧,与前方的风扇呈对角结构,气流在通过北桥芯片之后会由于后方风扇的作用,转向机箱左侧并由后方风扇排出,这个过程中可以对南桥芯片、内存甚至硬盘光驱等处进行辅助散热。
  此外,dc7800也在部分采用笔记本电脑的结构,例如外置电源适配器、笔记本电脑内存等。
  用液冷增强散热
  用XPS举例,主要是为了说明一种更特别的散热设计——液冷。
  介绍XPS的散热之前,我们应该先观察一下他的发热部分,CPU自然不必多说,双显示卡SLI的设计也令显示部分的发热量更高,而插在两块显卡之间的物理卡还在争夺本来就已经很紧凑的机箱空间,显然,这样的结构对于散热有了更高的要求。
   XPS的散热结构并不像我们想象的那样复杂,不过设计上也比较到位。
  液冷主要是针对CPU这一部件,采用内循环的设计让我们无需担心维护问题,最值得夸奖的还是前面说到的显示卡处空间问题,在显示卡正对着的机箱前方,一个“巨大”的风扇解决了显卡散热的问题,这个风扇制造的气流可以完全穿过显示卡的散热片,直接由机箱后部排出,在很大程度上避免了显卡之间空间狭小导致散热不佳的问题。
  
  DLP投影机的简单散热设计
  
  从散热角度讨论,DLP技术的特色在于其成像元件对投射光源的亮度影响低,相比LCD技术,在相同环境下实现同样的投影亮度,对灯泡的功率要求就可以低一些,这样就可以降低灯泡部分的发热量,从而降低了整个系统的发热量。
  正是因为对灯泡的功率要求降低,在DLP投影机上的散热设计相对简单一些,这也是大多数DLP投影机都设计得比较小巧、便携的一个重要原因,因为散热设计简单,即使内部结构紧凑也可以应对,设计小巧更容易实现。
   从内部结构可以看到,DLP设计的投影机内部结构十分规整,显然这样的结构是现有电路设计后进行散热考虑的。在整个投影机结构中,我们一共找到了3个用于主动散热的风扇,其中专门为灯泡进行散热的风扇由两个组成一组,一个位置就在灯泡旁边,从机箱内部的位置向灯泡提供气流,经过灯泡的高温气流从投影机前侧排出。在这个主风扇旁边的位置还设计了一个小的涡轮风扇,从结构上观察,这个风扇主要是形成风道,为主风扇提供机箱外的冷却空气。
  另一个风扇比较不容易观察到,位置处于光通路旁边。这个风扇同时起到两个作用:一个是在光通路上,为了避免灯泡产生的高温传导到光通路的金属外壳造成对附近元件特别是DLP成像元件的损伤,对可能具有高温的光通路结构进行主动散热;另外,这个风扇还能够将高温与电路部分隔离,保证电路的安全。
  DLP成像元件本身发热量并不高,在投影机中对它的散热设计也比较简单,从图上我们可以看到,借助金属贴膜进行导热,依靠投影机外壳的被动散热,就已经能够满足散热的要求。
  
  投影机 散热设计
  
  投影机的散热一向是两难的选择。一方面,投影机的灯泡、显示芯片、成像元件都可能产生较高的发热量,让温度迅速提升;而另一方面,投影機的使用环境往往是会议室或家庭影院,这样的使用环境令我们比较反感噪音,然而更好的散热需要风扇高速转动,很容易产生噪音。
  从成像原理上区分,目前的投影机主要分为LCD和DLP两大类,不同的成像原理使发热表现有很大的差别,其中DLP发热量相对较小,处理散热主要针对灯泡进行设计就可以,而LCD技术的成像元件发热量也较大,因此需要专门对成像部分进行散热的设计。
  我们在DLP和LCD成像技术上,各选择一款投影机观察其散热设计。
  
  LCD投影机需要全面考虑散热
  
  为了追求更好的显示效果,目前基于LCD技术的投影机大多采用3LCD设计,因为LCD成像元件本身发热量就比较大,使用3组LCD成像元件会造成更大的发热量。特别是为了保证成像质量,从光学结构上,绝大多数投影机需要把3组LCD设计在比较集中的位置,避免光路中任何不稳定因素的影响造成色彩错位,显然这样又把发热的主要元件相对集中,造成散热设计上的难题。
   LCD投影机的散热结构比较复杂,这也是我们常见的LCD投影机大多身材臃肿的原因之一。
  从LCD投影机内部我们可以看到,在漂亮的外壳下,隐藏着一个工程塑料设计的形状复杂的盖板。这主要是利用这样的盖板对机箱内部的气流进行调整,形成需要的风路。根据设计,不同的风路需要专门从机箱外部获得冷却空气,按不同的路线经历各个不同部件才能保证对每一个位置的散热。
  在用于风路调整的外壳下,我们可以看到大量的风扇,分别针对不同的关键位置进行散热。
  灯泡周围的散热设计是最复杂的,相比其他电子产品的散热,这台LCD投影机中的灯泡散热占用的空间比较小,冷空气从灯泡后侧的平行位置进入,经过灯泡前端灯丝处之后立刻从灯泡侧面排出,这样的结构依靠两个较强力的风扇实现。较短的风路主要是为了防尘考虑,毕竟我们的空气环境不可能做到绝对的无尘,而灰尘进入光路对投影质量的影响是致命的,所以在投影机中为了防止灰尘影响,风路设计较短也是比较好的方案。
  从灯泡的结构上我们可以看到,这个灯泡的设计也考虑到了散热问题。灯泡两侧的隔栅使整个灯泡处于一种开放的状态,可以让冷却的空气通过灯丝,对灯泡进行更有效的散热。
  3组LCD周围各有一个小巧的涡轮风扇,分别为每一组LCD提供机箱外的冷却空气,相比之下,LCD的散热要求并不高,所以这一部分的结构也比较简单。
  光路结构中,灯泡前方分别设置了由厚到薄的一组平面玻璃片,这是考虑到灯泡高温对整个通路影响,用于隔绝高温的设计,而这一组玻璃片之间也有风扇提供平行的气流进行主动散热。
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