从小米环形冷泵散热系统看芯片PCB板级热仿真方法

导读

作为一个业余的数码产品爱好者，前不久关注到小米发布了它自研的环形冷泵散热系统，充满着好奇看了下这个“面向未来的散热技术”。它本质上也是相变液冷技术，但克服了VC液冷的一些缺陷，这对搭载骁龙最新8系处理器的旗舰手机都是一个大福音，因为这个新技术提高了传统VC的传热能力，这也就进一步降低了了SoC到手机的导热热阻。

本文从小米公司未来散热技术说起，与热设计工程师、电子工程师和机械结构热工程师聊聊Ansys Icepak PCB板级热仿真那些事。

一、环形冷泵概述

环形冷泵由蒸发器、冷凝器、补偿腔以及蒸气和液体管道组成，蒸发器处于手机主板热源区域，当处理器等热源高负载运行时，冷液蒸发为汽态，通过自然膨胀驱动气流进入蒸气管道。

当蒸汽流入冷凝器后，凝结成液，通过毛细力吸入液体管道进而回到补偿腔为蒸发器进行冷液补给，如此循环，无需外加动力。

虽然相变原理与VC液冷相同，但由于结构不同，实际效果大不一样。常规VC液冷由于无法汽液分离，所以向冷凝器移动的热蒸汽和向蒸发器回流的冷液体相向运动，相互阻碍，在高负载情况下容易出现液体回流困难。

同时，环形冷泵由于特殊蒸汽管道设计，气道阻力大幅降低30%，蒸汽流通更流畅，从而可以实现热量定向远距离冷端输送，使最大传热功率提升100%。

此技术也是利用相变原理，融入了单向管道设计，称之为特斯拉阀，其实看到第一眼很容易会想的是难道特斯拉汽车的什么新技术吗？查了资料才知道，是科学家尼古拉特斯拉发明的，它巧妙在不需要任何开关就可以控制单向导通。小米这次应用此技术就保证了液体能够到达SoC的发热部位，而不让吸热蒸发的蒸汽反向流动。

通过这个技术小米手机mix4魔改版实测游戏降低了表温5℃，对于手机行业表面温度是很重要的，而对于汽车电子方面保证芯片的可靠性更为重要，特别是温度方面。车规级的芯片相对消费级，从认证标准以及测试讲更为严苛，而且车内环境温度高，更是需要考虑各个芯片是否符合工作预期。

二、ADAS域控制器散热设计

自动驾驶这两年发展迅速，配套硬件产品的功耗也在不断进步，从开始单一功能的ECU，需要多个ECU才能实现ADAS的功能，到集成多种功能的域控制器，特别是承载ADAS的域控制器，ADAS域 L2/L2+的设备现在也主要采用自然散热的方式，产品顶部采用较长的散热肋片，底部根据功耗的不同有产品也会有散热肋片的设置。

ADAS域由于SoC计算量的不一样，功耗差异明显，特别是L4，体积限制的，甚至需要水冷才能满足要求。现在自动驾驶AI芯片主要供应商有Mobileye、英伟达、华为和地平线等等，主流乘用车还是基于L2+域控，基本采用自然散热方式。

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