CN102883583A - 热耗散型高功率系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热耗散型高功率系统。具体而言，一种电子系统包括印刷电路板(PCB)和热耗散元件。PCB包括装配在该PCB的第一侧上的一个或多个第一电子部件以及装配在该PCB的第二侧上的一个或多个第二电子部件。第一电子部件具有大于阈值的功耗，并且具有在PCB第一侧之上的高度，该高度高于装配在PCB的第一侧上的任何其他电子部件的高度。第二电子部件中的至少一个具有在PCB的第二侧之上的高度，该高度高于第一电子部件的高度。热耗散元件与第一电子部件邻接以便提供用于耗散由第一电子部件生成的热量的热耦合。

Description

热耗散型高功率系统
相关申请的交叉引用
本公开要求2011年3月11日提交的名称为“Low Cost ThermalDesign for High Power Systems”的美国临时申请61/451,771以及2011年6月22日提交的名称为“Low Cost Thermal Design for High PowerSystems”的美国临时申请61/499,949的权益，以上申请在此通过引用整体并入本文。
背景技术
在此提供的背景技术描述旨在总体上呈现本公开的上下文。在当前提名的发明人的工作(就在这个背景技术部分中描述的工作的程度而言)以及可能也不合格作为在提交申请时的现有技术的说明书的一些方面既非明示亦非暗示地被承认其为相对本公开的现有技术。
在常规电子系统中，电子部件的放置通过与经济效益、定时、信号完整性等有关的各种事情确定。然而，消耗相对大的功率的各种电子系统要求冷却机构以耗散由电子部件生成的热量，以便将各种电子部件以及整个系统的温度维持在可接受的范围内。冷却机构可以包括例如用于高功耗部件的散热器以及甚至产生穿过系统的受迫气体流的风扇。
发明内容
本公开的一些方面提供了一种电子系统。该电子系统包括印刷电路板(PCB)以及热耗散元件。PCB包括装配在该PCB的第一侧上的一个或多个第一电子部件，以及装配在该PCB的第二侧上的一个或多个第二电子部件。第一电子部件具有大于阈值的功耗并且具有在PCB的第一侧之上的高度，该高度高于装配在该PCB的第一侧上的任何其他电子部件的高度。第二电子部件中的至少一个具有在PCB的第二侧之上的高度，该高度高于第一电子部件的高度。热耗散元件与第一电子部件邻接以提供用于耗散由第一电子部件生成的热量的热耦合。
根据本公开的一个方面，该热耗散元件是电子系统的外壳的一部分，并且PCB装配在外壳上，其中第一侧面对热耗散元件。在一个示例中，该外壳是无风扇外壳。
在一个实施例中，热耗散元件与第一电子部件接触。热耗散元件具有相对高的热耗散能力。在一个示例中，热耗散元件是金属平板。
根据本公开的一个实施例，第一电子部件是表面装配的部件，并且第一电子部件中的至少一个是集成电路(IC)芯片。此外，在一个实施例中，第二电子部件是无源非IC部件。在一个示例中，第一电子部件的功耗高于在PCB的第一侧上的任何其他电子部件或在PCB的第二侧上的第二电子部件的功耗。
本公开的一些方面还提供了一种方法。该方法包括将印刷电路板(PCB)与热耗散元件组装在一起。该PCB板包括装配在PCB的第一侧上的一个或多个第一电子部件或装配在PCB的第二侧上的一个或多个第二电子部件。第一电子部件具有高于阈值的功耗并且具有在PCB的第一侧之上的高度，该高度高于PCB的第一侧上装配的任何其他电子部件的高度。第二电子部件中的至少一个具有在PCB的第二侧之上的高度，该高度高于第一电子部件的高度。第一电子部件与提供用于耗散由第一电子部件生成的热量的热耦合的热耗散部件邻接。
附图说明
将参照以下附图详细描述作为示例提出的本公开的各种实施例，其中相似的标号指代相似的元件，并且在附图中：
图1A和图1B显示了根据本公开一个实施例的电子系统100的示意图；
图2显示了根据本公开的一个实施例的印刷电路板(PCB)120的一个侧的示意图；
图3显示了根据本公开一个实施例的印刷电路板(PCB)120的另一侧的示意图；以及
图4显示了概述了根据本公开的一个实施例的过程400的流程图。
具体实施方式
根据本公开的一个实施例，图1A显示了电子系统100的示意图并且图1B显示了电子系统100沿轴线1B的横截面。电子系统100包括外壳101内的印刷电路板(PCB)120。
电子系统100可以包括任何适合的设备，诸如网络交换设备、路由器、机顶盒、膝上型笔记本、服务器、台式计算机等。根据本公开的一个方面，外壳101的一部分被配置成具有相对高的热耗散能力以充当用于耗散由外壳101内的电子部件生成的热量的散热器。
在一个实施例中，电子系统100为无风扇系统，其不包括用于产生穿过电子系统100的热耗散气流的风扇。在一个实施例中，电子系统100被布置成使得各种高功耗型有源热生成部件被布置在PCB120的第一侧上，该第一侧定位为非常靠近热耗散热接口元件，该热耗散热接口元件形成为电子系统100的外壳101的一部分。热耗散元件形成用于耗散在外壳101的内部生成的热量的热接口。类似地，在一个实施例中，电子系统100进一步被布置成使得各种低功耗型无源部件被布置在PCB120的远离热耗散元件的第二侧上，该低功耗型无源部件通常比有源热生成部件生成更少的热量。通过避免使用风扇以及通过基于部件的热生成特性和相对高度将部件布置在电路板的一侧上，从而使得有源的、高热生成部件可以被放置为相对非常靠近热耗散热接口，从而电子系统100可以以降低的成本来实现并且可以以相对纤细的设计来实现。
在另一实施例中，除了热耗散热接口之外，电子系统100还可以包括风扇(未示出)以附加地耗散由外壳101的内部的电子部件生成的热量。
在一个实施例中，外壳101的至少一个侧(诸如平面侧110)具有相对高的热导率以充当散热器。在一个示例中，平面侧110由诸如金属平板、合金平板等的金属材料制成以充当散热器，从而耗散由电子系统100的电子部件在外壳101的内部生成的热量。此外，根据本公开的一个实施例，如前所述，消耗相对大的功率并且通常生成相当高水平的热量的电子部件被放置成相对非常靠近该平面侧110。该布置通过平面侧110改进热耗散。
一般而言，PCB120包括第一侧120A(例如顶部侧)和第二侧120B(例如底部侧)，并且包括装配在第一侧120A或第二侧120B上的各种电子部件。根据本公开的一个实施例，具有相对大的功耗的电子部件被装配在PCB120的一个侧(诸如第一侧120A)上，而具有相对大的高度的电子部件被装配在PCB120的另一侧(诸如第二侧120B)上。如图1B所示，PCB120被布置在外壳101内，其中具有所有的低高度部件的第一侧120A面对平面侧110。正如所述的，在一个实施例中，低高度电子部件也是高的功耗和高的热生成部件。由于呈现出相对低的高度、高的功耗以及高的热生成的所有电子部件被布置在第一侧120A上，所以可以使得第一侧120A和平面侧110之间的距离相对较小以改进热耗散。
在一个示例中，诸如集成电路(IC)芯片133之类的有源热生成部件被装配在第一侧120A上。在一个实施例中，当电子部件的功耗大于功率阈值(诸如1W等)时，该电子部件被装配在第一侧120A上。此外，装配在第一侧120A上的有源热生成部件具有最大的高度，诸如基本上等于高度阈值135。装配在第一侧120A上的其他一些部件(诸如电阻器等)等于或低于高度阈值135。在一个示例中，装配在第一侧120A上的部件是可以使用表面装配技术装配的表面装配器件。在一个示例中，高度阈值例如是表面装配器件的最大高度。
此外，在一个实施例中，具有相对大的高度(诸如大于高度阈值135)的电子部件140被装配在第二侧120B上，第二侧120B在图1B的示例中是底部侧。在一个示例中，诸如电感器、电容器、连接器等具有相对大的高度(例如高于高度阈值135)并且并不消耗很多功率的无源电子部件被装配在第二侧120B上。
在一个实施例中，使用如下的单侧组装来组装PCB120：使用表面装配技术装配在第一侧120A上的电子部件并且使用通孔技术(其例如可以是手动组装)装配在第二侧120B上的电子部件。
在另一实施例中，诸如消耗相对低的功率的IC芯片、具有相对高的可接受温度范围等之类的一个或多个IC芯片被装配在第二侧120B上。可以使用表面装配技术或通孔装配技术将IC芯片装配在第二侧120B上。
此外，根据本公开的一个方面，PCB120被布置在外壳101中，从而使得第一侧120A和平面侧110之间的距离相对小，诸如大体上等于高度阈值135。注意到，可以使用任何合适的技术将PCB120布置在外壳101中。
在图1A和图1B的示例中，PCB120经由附接件附接至平面侧110。附接件具有在平面侧110上的第一部分111A并且具有在PCB120上的第二部分111B。在将PCB120组装进外壳101中的组装过程期间，将第一部分111A和第二部分111B对准并且附接在一起以固定PCB120相对于外壳101的位置。附接件合适地被配置成设置PCB120与平面侧110之间的距离。在一个实施例中，附接件合适地被配置成使得IC芯片133中的至少一些与平面侧110热接合。在一个实施例中，IC芯片133非常靠近平面侧110，但是不与平面侧110接触。在另一示例中，IC芯片133基本上与平面侧110接触。在又一示例中，IC芯片133中的一些非常靠近平面侧110，而其他IC芯片133基本上与平面侧110接触。
根据本公开的一个实施例，PCB120是使铜用量最小化以降低材料成本账单的双层PCB。因此，PCB120具有相对差的热导性。在一个示例中，在PCB120上的IC芯片133在操作期间消耗比装配在第一侧120A上的诸如电阻器、电容器等之类的其他部件更多的功率。IC芯片133生成热量，并且IC芯片133的温度高于PCB120上的其他部件或超出它们允许的最大结温(例如违反它们的规范)，并且因此IC芯片133因而变成PCB120上的热点。根据本公开的一个实施例，IC芯片133是PCB120的第一侧120B上的最高部件。当IC芯片133非常靠近平面侧110(诸如与平面侧110接触)时，平面侧110合适地耗散由IC芯片133生成的热量以使IC芯片133冷却下来。在一个示例中，平面侧110由金属制成并且足够大以将由IC芯片133发射的热量耗散到环境(诸如环境气体等)，并且因而将IC芯片133的温度(诸如结温等)维持在可接受的范围内。
在一个示例中，电子系统100是网络交换系统100。网络交换系统100例如包括以太网交换机、控制器芯片和多个收发器芯片。交换机、控制器芯片和多个收发器芯片被实现为可以装配在PCB120的第一侧120A上的表面装配芯片。外壳101的平面侧110由大的金属平板制成。PCB120经由附接件附接至平面侧110，其中第一侧120A面对平面侧110并且相对非常靠近平面侧110。表面装配芯片具有在第一侧120A上装配的电子部件中的最大高度。在操作期间，在一个示例中，表面装配芯片生成最多的热量。在一个示例中，附接件合适地被配置成使得PCB120和平面侧110之间的距离基本上等于表面装配芯片的高度。因此，在一个示例中，表面装配芯片与平面侧110热接合，并且平面侧110可以有效地耗散由第一侧120A上的交换机、控制器芯片和收发器芯片生成的热量，从而将芯片上的结温保持在可接受的范围内。在一个示例中，表面装配芯片非常靠近平面侧110，但是不与平面侧110接触。在另一示例中，表面装配IC芯片基本上与平面侧110接触。在又一示例中，一些表面装配IC芯片非常靠近平面侧110，而其它表面装配IC芯片基本上与平面侧110接触。
在一个示例中，在操作期间对网络交换系统100的IC芯片执行结温测量。在一个实施例中，根据测量，交换机和控制器芯片的结温约为52℃，而收发器芯片的结温约为75℃。网络交换系统100的结温比在有源部件上使用常规散热器的比较性网络交换设备的对应结温低出多于25℃。
图2显示了根据本公开的一个实施例的网络交换系统100的印刷电路板(PCB)120的第一侧120A(即顶部侧)的示意图。在一个实施例中，PCB120具有使用最少的铜以减少材料成本账单的两个印刷电路层。此外，在一个实施例中，PCB120要求单侧组装以进一步减少制造成本。
在图2的示例中，IC芯片装配在PCB120的第一侧120A上。在一个示例中，网络交换系统100包括多个IC芯片，诸如交换机和控制芯片131、存储器芯片132、六个收发器芯片133等。多个IC芯片是在操作期间一般而言消耗相对大的功率、生成热量并且具有相对高温度的有源部件。在一个实施例中，多个IC芯片基本上具有在PCB120的第一侧120A的表面之上的相同高度。在一个示例中，网络交换系统100中的IC芯片的功耗超过18W。
此外，在一个实施例中，IC芯片一般而言被设计成在温度范围内操作。当诸如IC芯片上的结温之类的温度在温度范围之外时，芯片上的晶体管可能并不如期望地运行，并且可以引起器件故障。
根据本公开的一个实施例，装配在第一侧120A上的其他部件的高度等于或小于产生最大热量的部件(在一个实施例中为IC芯片)的高度。在一个示例中，IC芯片是表面装配IC芯片，并且装配在第一侧面120A上的诸如电阻器、电容器等之类的其他部件也是具有与IC芯片约相同高度的表面装配器件。其他部件比表面装配IC芯片消耗更少的功率，并且在操作期间一般而言具有比表面装配IC芯片更低的温度。因此，在一个示例中，当PCB板120A被组装在外壳101中时，第一侧120A可以被布置成非常靠近平面侧110。在一个示例中，IC芯片与平面侧110接触，并且平面侧110可以被配置成充当用于耗散由IC芯片生成的热量的散热器，以便将IC芯片上的结温维持在可接受的范围内。
在一个实施例中，在系统设计阶段中，基于在操作期间为最热部件的电子部件的高度来确定平面侧110和第一侧120A的表面之间的距离。因此，布置在第一侧120A上的任何其他部件具有等于或低于在操作期间为最热部件的电子部件的高度。根据本公开的一个方面，基于部件的功耗与表面面积之间的比率来做出哪个部件是最热部件的确定。在一个实施例中，当电子部件的功耗大于功率阈值并且电子部件的表面面积小于面积阈值时，该电子部件被确定为最热部件之一。
图3显示了根据本公开的一个实施例的网络交换系统100中的印刷电路板120的第二侧120B的示意图。在图3的示例中，具有相对大尺寸(诸如具有比装配在第一侧120A上的IC芯片高的高度)的电子部件被装配在第二侧120B上。在一个实施例中，其高度比装配在第一侧120A上装配的IC芯片高的电子部件被装配在第二侧120B上。在一个示例中，比装配在第一侧120A上的表面装配IC芯片高的电连接器被装配在第二侧120B上，该电连接器诸如以太网连接器141、小型化可插拔(SFP)笼式连接器143、板连接器145(例如联合任务动作组(JTAG)、跳线)等。在另一示例中，一般而言具有比表面装配IC芯片高的高度的大尺寸电容器144被装配在第二侧120B上。在另一示例中，在第二侧120B上装配磁性模块142，该磁性模块是用于隔离和低共模发射并且高于表面装配IC芯片的以太网线缆接口。在一个实施例中，一般而言为无源非IC部件的高的部件在操作期间消耗较少的功率并且具有比装配在第一侧120A上的IC芯片低的温度。
根据本公开的一个实施例，第二侧120B上的第二电子部件是通孔装配器件，而第一侧120A上的电子部件是表面装配器件。因此，可以使用单侧组装来组装PCB120。
根据本公开的另一实施例，第二侧120B可以还包括表面装配器件，诸如IC芯片等。在一个实施例中，装配在第二侧120B上的IC芯片比装配在第一侧120A上的IC芯片消耗更少的功率，并且具有比装配在第一侧120A上的IC芯片更低的温度。在另一实施例中，装配在第二侧120B上的IC芯片具有比装配在第一侧120A上的IC芯片更大的表面面积以用于热耗散，从而使得装配在侧120B上的IC芯片具有比装配在第一侧120A上的IC芯片更低的温度。
图4显示了概述根据本公开的一个实施例的用于组装电子系统100的过程400。该过程始于S401处并且行进至S410。
在S410处，在PCB120的第一侧120A上装配第一部件。在一个实施例中，第一部件是有源热生成部件，诸如IC芯片等。在一个实施例中，还在第一侧120A上装配诸如无源、非IC部件之类的其他部件。在电子系统100的操作期间，第一部件的功耗高于装配在第一侧120A上的其他部件的功耗，并且第一部件的温度高于装配在第一侧120A上的其他部件的温度。第一部件具有比装配在第一侧120A上的其他部件更高的高度或具有与其大约相同的高度。在一个示例中，第一部件是表面装配IC芯片，而其他部件包括与表面装配IC芯片大约相同高度的表面装配电阻器、表面装配电容器等。在印刷电路板组装线处，表面装配IC芯片、表面装配电阻器和表面装配电容器合适地装配在它们在PCB120的第一侧120A上的相应位置处。
在S420处，在PCB120的第二侧120B上装配第二部件。在一个示例中，第二部件包括具有相对大的高度(诸如高于第一侧120A上的IC芯片的高度)的电子部件。在一个实施例中，第二部件是通孔装配部件，该通孔装配部件在第二侧120B上在印刷电路板组装线处手动组装。
在S430处，将PCB120组装在外壳101中。外壳101包括平面侧110，该平面侧110由金属材料制成以具有相对大的热耗散能力。在一个示例中，PCB120在如下的外壳101中附接：第一侧120A上的IC芯片一般而言与平面侧110接触。因此，平面侧110充当散热器以耗散由第一侧120A上的IC芯片生成的热量。然后，该过程行进至S499并且终止。
注意到，可以合适地修改过程400。在一个示例中，可以交换步骤S410和S420的顺序。在另一示例中，在第一设备中执行S410和S420。然后，PCB120被输运至第二设备，并且在第二设备处执行S430。
尽管已经结合被提出作为示例的本发明的具体实施例描述了本发明，但是可以做出对以上示例的替代、修改和变化。因此，在此阐述的本发明的实施例旨在为示例性的而非限制性的。存在可以在不偏离以下阐述的权利要求的范围情况下可以做出的各种改变。

Claims (20)

1.一种电子系统，包括：
印刷电路板(PCB)，其中：
一个或多个第一电子部件，其装配在所述PCB的第一侧上，所述第一电子部件具有高于阈值的功耗并且具有在所述PCB的第一侧之上的高度，所述高度高于装配在所述PCB的第一侧上的任何其他电子部件的高度；以及
一个或多个第二电子部件，其装配在所述PCB的第二侧上，并且所述第二电子部件中的至少一个具有在所述PCB的第二侧之上的高度，所述高度高于所述第一电子部件的高度；以及
热耗散元件，其与所述第一电子部件邻接以便提供用于耗散由所述第一电子部件生成的热量的热耦合。
2.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述热耗散元件是所述电子系统的外壳的一部分。
3.根据权利要求2所述的电子系统，其中所述外壳是无风扇外壳。
4.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述热耗散元件与所述第一电子部件接触。
5.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述热耗散元件是金属平板。
6.根据权利要求2所述的电子系统，其中所述PCB被装配在所述外壳上，其中所述第一侧面对所述热耗散元件。
7.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述第一电子部件中的至少一个是集成电路(IC)芯片。
8.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述第一电子部件是表面装配部件。
9.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述第二电子部件是无源非IC部件。
10.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述第一电子部件的功耗大于装配在所述PCB的第一侧上的任何其他电子部件或装配在所述PCB的第二侧上的第二电子部件的功耗。
11.一种方法，包括：
将印刷电路板(PCB)与热耗散元件组装在一起，其中：
将一个或多个第一电子部件装配在所述PCB的第一侧上，所述第一电子部件具有高于阈值的功耗并且具有在所述PCB的第一侧之上的高度，所述高度高于装配在所述PCB的第一侧上的任何其他电子部件的高度；
将一个或多个第二电子部件装配在所述PCB的第二侧上，并且所述第二电子部件中的至少一个具有在所述PCB的第二侧之上的高度，所述高度高于所述第一电子部件的高度；以及
使所述第一电子部件邻接所述热耗散元件以便提供用于耗散由所述第一电子部件生成的热量的热耦合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述PCB与所述热耗散元件组装在一起还包括：
将所述PCB与电子系统的外壳组装在一起，其中所述热耗散元件是所述外壳的一部分。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述PCB与所述热耗散元件组装在一起还包括：
将所述PCB与所述电子系统的无风扇外壳组装在一起。
14.根据权利要求11所述的方法，其中将所述PCB与所述热耗散元件组装在一起还包括：
将所述PCB和与所述热耗散元件接触的所述第一电子部件组装在一起。
15.根据权利要求11所述的方法，其中将所述PCB与所述热耗散元件组装在一起还包括：
将所述PCB与是金属平板的所述热耗散元件组装在一起。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将是表面装配部件的所述第一电子部件装配在所述PCB的第一侧上。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将是无源非IC部件的所述第二电子部件装配在所述PCB的第二侧上。
18.一种印刷电路板(PCB)，包括：
一个或多个第一电子部件，其装配在所述PCB的第一侧上，所述第一电子部件具有高于阈值的功耗并且具有在所述PCB的第一侧之上的高度，所述高度高于装配在所述PCB的第一侧上的任何其他电子部件的高度；以及
一个或多个第二电子部件，其装配在所述PCB的第二侧上，所述第二电子部件中的至少一个具有在所述PCB的第二侧之上的高度，所述高度高于所述第一电子部件的高度。
19.根据权利要求18所述的PCB，其中：
所述第一电子部件是表面装配部件。
20.根据权利要求18所述的PCB，其中：
所述第二电子部件是无源非IC部件。
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