PCB冷却：从被动到主动的全方位散热方案

PCB 冷却技术根据是否依赖外部动力，可分为被动冷却与主动冷却两大类，不同方案的适用场景差异显著，需根据发热功率、空间限制、成本需求合理选择。被动冷却（Passive Cooling）无需额外能耗，依靠热量自然传导、辐射与对流散热，适用于低功率 PCB（发热功率 <10W），如智能家居设备、小型传感器。常见的被动冷却方案包括散热片、导热垫、PCB 铜皮优化等 —— 例如，智能手环的 PCB 仅需通过增大铜皮面积，配合外壳的塑料材质自然散热，即可满足需求。主动冷却（Active Cooling）需借助风扇、水泵等动力部件，强制加速热量排出，适用于中高功率 PCB（发热功率> 10W），如服务器、工业变频器、游戏本。主动冷却方案包括强制风冷、液冷、相变冷却等 —— 例如，游戏本的 CPU 与 GPU PCB 需通过风扇 + 热管 + 散热片的组合，强制将热量排出机身，避免长时间游戏导致的温度过高。此外，还有混合冷却方案，结合被动与主动冷却的优势，适用于功率波动较大的 PCB，如新能源汽车的 OBC（车载充电机）PCB，低功率时通过被动散热片散热，高功率充电时自动启动风扇，实现节能与高效的平衡。

被动冷却虽结构简单，但要实现高效散热，需掌握关键设计要点，最大化自然散热能力。首先是散热片的选型与安装 —— 散热片的散热效率取决于鳍片面积、厚度与材质，铝制散热片（导热系数 205W/(m?K)）适用于中低功率场景，铜制散热片（401W/(m?K)）适用于更高功率需求。安装时，需确保散热片与发热元件紧密贴合，通过导热膏填充间隙，例如在 LED 驱动 PCB 中，将铝制散热片通过导热胶粘贴在 LED 芯片上，散热片面积需为芯片面积的 5~10 倍，才能有效分散热量。其次是 PCB 的布局优化，被动冷却依赖自然对流，因此 PCB 应尽量垂直放置，避免水平放置导致热空气在上方堆积。同时，发热元件应布置在 PCB 的中上部，利用热空气上升的原理，加速热量对流 —— 例如，在机顶盒 PCB 中，将电源管理芯片放置在 PCB 上部，靠近外壳通风孔，热空气可直接通过通风孔排出。此外，PCB 的基材与铜皮设计也至关重要，采用高导热基材（如铝基板）能提升热量传导效率，而在 PCB 表面设计 “散热网格”（即网格状铜皮），可增大与空气的接触面积，增强辐射散热效果。

主动冷却通过外部动力强化散热，技术细节更为复杂，但散热效率远高于被动冷却，尤其适用于高功率场景。强制风冷是最常见的主动冷却方案，核心在于风扇与散热结构的匹配 —— 风扇的风量（单位：CFM）与风压需满足散热需求，例如服务器 CPU 的散热风扇需提供≥50CFM 的风量，才能确保热量快速排出。同时，风扇与散热片的组合需优化风道设计，避免气流短路，例如在 PC 主机中，采用 “前进后出” 的风道，风扇从前方吸入冷空气，经过散热器后从后方排出热空气，形成完整的气流循环。液冷冷却方案则适用于超高功率 PCB（发热功率 > 100W），如数据中心服务器、大功率逆变器，其核心是通过冷却液（如水、乙二醇溶液）的循环流动，将 PCB 的热量带走。液冷系统包括水泵、冷排、水冷头，水冷头直接贴合 PCB 的发热区域，冷却液吸收热量后流至冷排，通过风扇将热量散发至空气中。液冷方案的优势在于散热效率高（导热系数是空气的数千倍）、噪音低，例如某数据中心采用液冷冷却后，服务器 PCB 的热点温度降低了 25℃，同时风扇噪音从 65dB 降至 40dB。