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论散热设计的重要性!复合合金冷板在笔记本散热上展示优势

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论散热设计的重要性!复合合金冷板在笔记本散热上展示优势

       对于一款笔记本电脑来讲,除了性能要强大、身形要轻薄外,出色散热性也是大家关注的重点,毕竟谁也不想随身带着个“火炉”工作或学习。那么这就对笔记本厂商提出了要求,既要不增加笔记本厚度还要有强劲的散热能力。

       如果大家经常关注笔记本的拆机图,就不难发现风扇和散热鳍片都特别占用空间,很多高端游戏本甚至需要搭配双风扇+四组鳍片才能解决散热的隐忧。如果笔记本想实现更性感的轻薄化设计,拿厚实占地儿的风扇和鳍片“开刀”就在情理之中了。

当笔记本取消了风扇(包括鳍片),它能获得如下好处:

       在搭配SSD时可以营造一个零噪音的工作环境;

       可以实现更轻薄小巧的外观设计;

       可以塞进更大的电池,获得更持久的续航。

       以华为MateBook X 2020为代表的极致轻薄型笔记本(13.6mm,1kg)就享受到了这3个优点。实际上,这种无风扇的被动式散热并非华为独创,在很多极致轻薄的笔记本和二合一设备上我们也经常可以看到类似的设计,其中最具代表性的就是微软Surface Pro系列。


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Surface Pro 6拆机图,左上角的凹槽是预留给高配版的风扇位置

        最近几代的Surface Pro都延续了一种策略:搭载i3和i5的低配/中配型号采用无风扇的散热模块,通过多根热管和大面积的石墨贴片实现被动式散热。

无风扇的代价

        在轻薄本领域,1个风扇、1组散热鳍片,1根8mm宽度的热管(如果是独显平台需要双热管或双风扇)是确保15W TDP处理器高水平发挥的基础。

        如果取消了其中的风扇和鳍片,单靠热管很难疏导处理器的发热量,很容易触发降频机制而导致性能骤降。

        因此,英特尔才会在15W TDP的U系列酷睿的基础上,衍生出4.5W~9W TDP的Y系列酷睿处理器,通过进一步降低主频和睿频频率,以满足无风扇的被动式散热环境。

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MateBook X 2020内部设计

       MateBook X 2020属于比较特殊的存在,它虽然没有内置风扇和鳍片,但选用的却是15W TDP的i7-10510U或i5-10210U。为了提升散热效率,这款产品取消了传统的热管,改用大面积的VC散热板),并将VC散热板与转轴紧密结合,可以将热量通过转轴向屏幕后侧的A面传递,从而获得更大的散热面积。

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MateBook X 2020内部设计

       但即便如此,MateBook X 2020的无风扇设计也需要付出极大的代价。在AIDA64的CPU单烤测试中,i7-10510U在满载时的实时功能只有7W,主频也只能维持到1.8GHz左右,基本就是Y系列处理器的性能表现。

复合合金冷板在笔记本散热上展示优势

       目前,采用热管、散热片和风扇组合的冷却系统在笔记本电脑热管理市场占主要的份额,是应用最为成熟,性价比最为突出的笔记本电脑散热方案。

       笔记本电脑一般采用2-3根,甚至多达5根的扁平热管将CPU或GPU芯片的热量传递到散热片上,然后用风扇的气流将热量带离散热片耗散到空气中。热管一般焊接在铜材料冷板上,再通过涂抹薄层热界面材料(导热硅脂)与CPU或GPU芯片接触进行热交换。芯片的热量首先要透过冷板,才能传递到热管。

       设计师基于材料的发展现状与散热模组整体成本等因素综合考量,经常选择铜作为冷板材料。最近,英特尔的研究人员发现,用热导率更高的复合合金冷板来替代传统的铜冷板,笔记本的散热系统显示出更高的效率,给设备带来显著的性能提升。

       研究成果发表在2020年第19届IEEE电子学会热力学和热力学现象研讨会(ITherm)上,题目为《Relative Thermal Burst Performance Comparison with the Use of Copper and Silver-diamond Composite as Cold Plate Materials Below Heat Pipes in Notebooks》,作者是英特尔公司的Sankarananda Basak博士。

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图1:银-金刚石合金冷板替代传统铜冷板对笔记本电脑散热影响的研究成果发表于IEEE

测试系统

       为测试高导热系数冷板材料对冷却系统的影响,研究人员创建了仅包含笔记本电脑CPU SoC区域的简化CFD模型。3根扁平热管用于传递SoC热量,热传递路径上包含了热界面材料(TIM)、冷板、热管等主要导热材料,下面SoC的垂直堆叠图反映了散热系统的构成。

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图2:采用热管冷却的SoC垂直堆叠示意图

突发功率提升10%至12%

       研究人员将银-金刚石冷板替代传统铜冷板,并对笔记本散热系统进行测试及CFD仿真后发现,银-金刚石冷板更有助于SoC散热, 突发功率在SoC最高温度达到T_j_max阈值前可以持续更长时间 。银-金刚石复合材料可使笔记本电脑在3-5秒钟内的短期突发功率增加10%-12%,带来更强劲的计算性能。

热量传递平衡,避免热管干烧

       SoC热点区域并不会均衡分布在热管之间,CFD仿真发现,SoC热点位于中间热管下方时,铜冷板不能快速的将热量往四周扩散,产生热流不平衡;在突发功率持续时间内热量更多的进入中间热管,而两侧热管通过较少的热量,这可能导致中间热管干烧问题,并降低了系统的整体热效率。

       冷板材料的导热系数为385 W / mK,而银-金刚石合金材料的导热系数高达900W / mK,更高的导热系数意味着SoC热量在冷板中能够更快速的扩散,冷板各处的温差更低。事实也证明了,合金材料冷板中的热量分布更加均匀,热量平衡的传递到三根热管中,避免了过多热量传递给中间热管,提高了热管的利用效率。

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