CN2831423Y - 大规模集成芯片的有源散热装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种大规模集成芯片的有源散热装置。为解决现有通信***中大规模集成芯片的无源散热装置散热效果差，致使芯片工作温度过高所存在的问题和不足而设计。本实用新型大规模集成芯片的有源散热装置包括导热片，热电制冷器以及可控制热电制冷器制冷强度的温度控制设备；所述导热片的一侧面紧密贴合于芯片外表面；所述热电制冷器冷端紧密贴合于所述导热片相对的另一侧面上，并与所述温度控制设备的输出端电连接。本实用新型通过温度控制设备可灵活地控制TEC的制冷强度，有效提高了TEC的制冷效率，可广泛应用于通信***中大规模集成芯片的散热。

Description

大规模集成芯片的有源散热装置
技术领域
本实用新型涉及一种散热装置，具体地说涉及一种通信***中大规模集成芯片的散热装置。
背景技术
对于在通信领域中应用的半导体芯片，总希望其能长期可靠地工作。而温度是影响芯片性能稳定性和工作寿命的重要因素之一。试验结果显示，在较低的工作温度下，由于晶体管操作时间较短，互联阻值较低，使芯片的工作性能得到提升。为了使芯片稳定工作，必须及时将其产生的热量通过与其接触的介质排散出去，以维持芯片有源区处于允许的工作温度范围内，延长芯片的使用寿命和平均故障间隔时间，提高芯片的工作稳定性。
现在的通信***越来越趋向于使用大规模集成芯片，而提高芯片集成度的主要方法就是在芯片上配置更多的晶体管，同时提高芯片的运算速度，由此带来芯片散发的热量越来越高。随着通信***体积小型化的发展趋势，在某些场合采用传统的被广泛应用的散热片加风扇的散热装置——无源散热装置，通过铝或铜质的散热片吸收芯片的热量，再由冷却风扇运行使气流流经散热片四周，将热量传递给周围空气，由于此种结构只有空气冷却一种方式，加上空气的传热效率较低，已难以满足大规模集成芯片稳定工作时对温度的要求。
热电制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)也称热电组件或热电设备，由半导体材料组成，是一种小型可靠性高的制冷器，其利用半导体的珀尔贴效应，即由于两种导体中参与导电的载流子平均能量不同，当载流子从能量高的导体移入能量低的导体时，便释放多余的能量(放热)，相反，则从外界吸收能量(吸热)。热电制冷器既可用于加热也可用于冷却，在这里利用它的制冷性能。具体工作原理说明如下，TEC包括两片陶瓷片，陶瓷片之间夹有若干掺有杂质的N型及P型半导体材料结，这些半导体材料结通过电极串行连接。当电子从P型半导体传到N型半导体时，因为热量被吸收造成一端温度下降而另一端温度上升，这样就形成了TEC两面陶瓷片的热量传递，一面形成冷端，另一面形成热端。热量由冷端向热端的传递速率由通电电流的方向和大小决定。
由于TEC具有体积小，制冷速度快，使用方便，控制灵活的特点，将其用于芯片散热，特别是在通信***中大规模集成芯片发热量大、散热空间小的情况下，具有良好的效果。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有通信***中大规模集成芯片的无源散热装置散热效果差，致使芯片工作温度过高所存在的问题和不足，提供一种高效，快速，控制灵活的大规模集成芯片的有源散热装置。
为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：该大规模集成芯片的有源散热装置包括导热片，热电制冷器以及可控制热电制冷器制冷强度的温度控制设备；所述导热片的一侧面紧密贴合于芯片外表面；所述热电制冷器冷端紧密贴合于所述导热片相对的另一侧面上，并与所述温度控制设备的输出端电连接。
采用上述结构，温度控制设备通过检测到的温度信号对芯片的表面温度进行实时监控；在芯片温度较高时，加大TEC的制冷强度，迅速降低芯片表面温度；在芯片表面温度下降后，降低TEC的制冷强度，保证芯片可在合适稳定的温度下工作，由此可见，通过温度控制设备本实用新型可灵活地控制TEC的制冷强度，有效提高了TEC的制冷效率。
附图说明
图1是本实用新型大规模集成芯片的有源散热装置的结构示意图；
图2是图1所示温度控制设备的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步说明本实用新型的技术特征和功能特色，目的是能够更好地说明本实用新型，但不是用来限制本实用新型的保护范围。
参见图1，本实用新型大规模集成芯片的有源散热装置包括铝或铜质导热片1，热电制冷器2以及可控制热电制冷器2制冷强度的温度控制设备3；所述导热片1的一侧面通过导热胶紧密贴合于芯片4外表面，使芯片4外表面的温度传导至导热片1上，并且为增大散热面积提高散热效率，所述导热片1的截面面积大于芯片4的截面面积；所述热电制冷器2冷端紧密贴合于所述导热片1相对的另一侧面上，并与所述温度控制设备3的输出端电连接。
为起到更好的散热效果，该装置还包括紧密贴合于热电制冷器2热端外表面的铝或铜质梳齿型散热片5以及设置于散热片5***的风扇6。通过该风扇6的转动，加速散热片5周围空气流动，将热量通过空气排出。
所述散热片5通过导热胶粘合于热电制冷器2热端外表面，并且为增大散热面积提高散热效率，所述散热片5的截面面积大于热电制冷器2热端的截面面积。
参见图1和图2，所述温度控制设备3包括温度采集电路，控制器以及通过D/A转换电路与控制器电连接的热电制冷器2的驱动芯片；所述温度采集电路包括设置于导热片1内部的温度测量元件7以及与该温度测量元件7电连接的温度检测电路，所述温度检测电路的检测模拟信号通过射随电路及A/D转换电路输入至控制器；所述控制器采用可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)或现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)；所述热电制冷器2的驱动芯片的输出端与热电制冷器2电连接。
所述温度测量元件7采用热敏电阻或热电偶。
所述温度检测电路为恒流源检测电路。
所述热电制冷器2的驱动芯片采用专用的功率驱动芯片，如ADN8830、DRV591等。
下面结合图2，对本实用新型大规模集成芯片的有源散热装置的工作原理具体说明如下：
温度控制设备通过热敏电阻和恒流源组成的电路完成温度采集功能，由于热敏电阻的阻值随着所处环境的温度变化而改变，通过恒流源对热敏电阻进行激励，使热敏电阻两端产生电压差，该电压差经射随电路以及A/D转换电路输入至PLD；PLD作为温度控制设备的主控单元，对采集的温度信号进行低通滤波，然后将其与通过通信***中嵌入式CPU写入PLD的设定温度值即芯片正常工作温度进行比较，并经控制算法对TEC输出控制信号，由此对芯片的表面温度进行实时监控；在芯片温度较高时，加大TEC的制冷强度，迅速降低芯片表面温度；在芯片表面温度下降后，降低TEC的制冷强度，保证芯片可在合适稳定的温度下工作，由此可见，通过温度控制设备可灵活地控制TEC的制冷强度，有效提高了TEC的制冷效率。
PLD输出的TEC驱动信号经D/A转换电路后传输至专用的TEC功率驱动芯片，输出方向一定、大小可变的电流，驱动TEC将导热片上的热量快速地从热电制冷器2冷端快速传递至热电制冷器2热端，再传递至热电制冷器2热端的散热片上，进而通过风扇送风将散热片的热量排散出去。
上述具体实施方式以较佳实施例对本实用新型进行了说明，但这只是为了便于理解而举的一个形象化的实例，不应被视为是对本实用新型范围的限制。同样，根据本实用新型的技术方案及其较佳实施例的描述，可以做出各种可能的等同改变或替换，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种大规模集成芯片的有源散热装置，其特征在于，该装置包括导热片，热电制冷器以及可控制热电制冷器制冷强度的温度控制设备；所述导热片的一侧面紧密贴合于芯片外表面；所述热电制冷器冷端紧密贴合于所述导热片相对的另一侧面上，并与所述温度控制设备的输出端电连接。
2.如权利要求1所述的大规模集成芯片的有源散热装置，其特征在于，该装置还包括紧密贴合于热电制冷器热端外表面的散热片以及设置于散热片***的风扇。
3.如权利要求1或2所述的大规模集成芯片的有源散热装置，其特征在于，所述温度控制设备包括温度采集电路，控制器以及通过D/A转换电路与控制器电连接的热电制冷器的驱动芯片；所述温度采集电路包括设置于导热片内部的温度测量元件以及与该温度测量元件电连接的温度检测电路，所述温度检测电路的检测模拟信号通过A/D转换电路输入至控制器；所述控制器采用可编程逻辑器件或现场可编程门阵列；所述热电制冷器的驱动芯片的输出端与热电制冷器电连接。
4.如权利要求3所述的大规模集成芯片的有源散热装置，其特征在于，所述温度检测电路为恒流源检测电路。
5.如权利要求3所述的大规模集成芯片的有源散热装置，其特征在于，所述温度测量元件采用热敏电阻或热电偶。
6.如权利要求1所述的大规模集成芯片的有源散热装置，其特征在于，所述导热片通过导热材料制成的粘合剂粘合于芯片外表面，并且所述导热片的截面面积大于芯片的截面面积。
7.如权利要求2所述的大规模集成芯片的有源散热装置，其特征在于，所述散热片通过导热材料制成的粘合剂粘合于热电制冷器热端外表面，并且所述散热片的截面面积大于热电制冷器热端的截面面积。
8.如权利要求2或7所述的大规模集成芯片的有源散热装置，其特征在于，所述散热片为梳齿型。
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