上一期讲解预布局的时候，有朋友提到热设计的输入条件：各个器件的工作功耗，和温度无法评估。所以这期我们来谈谈热设计。

硬件工程师VS热设计工程师

硬件工程师：“我们新出了一个方案，帮忙再仿真一下吧？”

热设计工程师：“过不了！”

硬件工程师：“你仿过了？”

热设计工程师：“我用脑袋仿过了，你过不了，你要降规格！”

硬件工程师：“老子要用烙铁给你脑袋加热”

我写的这个笑话被很多和网站拷贝，这个笑话是我亲身经历的真实事件。

当时我刚到华为上班，意气奋发，结果就碰到这么一个不配合我们项目组工作的热设计工程师，还很不理解。

因为专门搞热仿真热设计的从业人口也比较少，特别是华为这个专门的工作，只有热设计工程师才可以使用仿真软件。所以当时热设计工程师是稀缺资源，硬件工程师也只能依赖热设计工程师进行仿真。

而很多公司热仿真的工作是结构工程师完成的。也有些能干的硬件工程师自己建模仿真。这个取决于个人的技术宽度、公司的分工要求、产品复杂度、必要性等。

不管是什么工程师来做这个工作，如果反复的仿真没有好的结论，都是资源浪费。自然就会有笑话中热设计工程师拒绝反复仿真各种情况的案例。

我们在硬件设计过程中，由于性能越来越高，速率越来越高，所以热设计的挑战也越来越大。特别是产品竞争进入白热化之后，在有限的机框里面达到散热极限边缘是很容易出现的。

热仿真效率低的原因有：

1、器件功耗大，散热风险大。

2、热设计仿真结果经常超过结温，或者不满足降额。

3、有些给出的器件功耗值缺乏理论依据，不准确，导致过设计或者导致散热风险。

4、热仿真的过程需要多次反复，一次仿真的周期大约3天，效率低下。

有时候硬件工程师按照项目经验经过多次调整，才能满足热设计的要求，而且不断地改热设计的输入条件，导致效率很低。

对于风险器件，我们需要做到两点：

1、准确的给出器件实际功耗。

2、最优化的散热布局，考虑走线的前提的下的最优布局。

关于器件功耗评估

对于没有散热风险的器件，我们评估功耗的时候，可以很粗暴地给一个标称最大值。但是当这样简单操作，给出一个最大值之后，不能通过热仿真的时候，需要我们去调整这个值，需要评估到最准确的值。

1、例如，DDR3控制器支持高刷新率，则其结温可达到95℃，如果不支持高刷新率，则最高结温定为85℃。必要时，硬件实现提高刷新频率功能，则DDR3温度规格放宽为95度。其他器件如果有硬件指标跟温度相关，一样要根据实际需求和实际场景去评估其温度上限要求。

2、对于散热风险较小的仿真模型，可以建立简单的电源模型，按照经验值输入。对于设计风险较大单板，需要建立电源详细模型，硬件人员需要提前评估功耗，提供给热设计人员。特别是MOSFET，有时候为了简化模型，直接布放一个热源，进行仿真。但是由于功耗大，所以我们要根据MOSFET的实际使用情况，利用功耗计算公式，计算出其实际的功耗，然后再确定其功耗参数。同时，需要考虑一些覆铜，亮铜改善其散热的情况。

而不是简单的降规格妥协，或者换更贵更好性能的器件，要么影响产品竞争力，要么提升了成本。

具体计算可以参考：开关电源 MOS管损耗

3、CPU的功耗要根据其是否降频工作，超频工作，实际工作负载情况进行评估。不能拿最大功耗一刀切。

X86处理如果支持Turbo Burst模式，需要考虑多种情况的散热分析

由于Nehalem架构处理支持Turbo Burst模式，所以虽然处理的总功耗一定，但是处理各个点的功耗会随着不同的Turbo模式，导致各个Core的最大功耗会超过其额定功耗。需要分别考虑各种情况的散热。不然超频的时候，单点功耗会比较高。

我们曾经有个案例，使用多核PowerPC，其功耗比较高，热仿真一直评估有风险，但是我们根据实际业务场景，重新评估了实际工作负载能力，合理的评估了其真实环境下的实际工作功耗，降低功耗之后仿真通过。后来实测，也不会出现过温的现象。

对于处理器这种，需要的时候，应该投入人力，用demo板对实际工作环境进行实测，提前做热测试，保障功耗评估准确。

同样的，DDR也需要根据其实际工作速率进行评估其功耗，特别是FPGA的外挂DDR，有时没有想象的那么大功耗。

4、FPGA 的功耗，一般厂家会提供评估工具。这时，一定要根据实际FPGA的资源占有情况进行评估，不要按照100%进行评估。实在评估值偏高，也可以用Demo板实测功耗。

关于热设计相关的PCB布局、结构设计、生产工艺的案例。

1、共用散热器，需要考虑器件公差及导热硅胶的厚度。

当时有个案例，我们有一个电路板上面，CPU和另外一个器件共用了散热器，自己公司的热设计工程师的仿真结论温度比较高，而使用相同的仿真模型，器件厂家散热仿真模型的温度比较低，经过器件厂家讨论，分析原因是器件厂家建立的仿真模型，CPU与散热器的导热胶厚度为0.13mm，而我们目前仿真模型中使用的仿真模型是0.3mm。导致：器件厂家仿真模型中CPU的温度是95摄氏度，而我们的仿真结果是：大于116摄氏度。自己公司的热设计工程师选择0.3mm是参考两个器件公差，得出的经验值，选取了概率比较高的一个参考值。

实际生产过程中，导热硅胶的厚度很难控制那么精准，需要制造特殊的涂胶工装来保证其厚度。不然确实会出现大功率器件温度过高，出现过热保护的情况。

建议：最好不要多个器件共用散热器。由于器件高度公差，导致导热硅胶厚度影响散热效果。

如果多个器件共用散热器，需要充分考虑器件高度公差带来的影响。

2、有些场景下，DDR在正反面，为了方便走线，有些工程师把TOP面和BOTTOM面的DDR在空间上位置完全重叠。但是这样重叠设计，DDR的热量也会通过PCB板相互传递，不利于散热，可以考虑错开一点进行设计。有时在指标就差一点点的时候，有效的优化。

3、如果散热器件后方如果有扣板等平板型物体，不一定会阻碍器件散热，有可能形成风道，加大局部风速。有时风道会改善散热，所以不要拿脑袋仿真。

4、散热有叠加效应。如果存在很大散热风险，我们优先考虑结温要求最苛刻，功耗大的器件放在进风口。例如DDR。

5、过孔、亮铜会改善散热

PCB 过孔对散热的影响

6、加散热铜箔和采用大面积电源地铜箔。

根据上图可以看到：连接铜皮的面积越大，结温越低

根据上图，可以看出，覆铜面积越大，结温越低。