本文要點

在穩態熱傳遞中，溫度是不隨時間變化的。

在瞬態熱傳遞中，溫度是隨時間變化的。

通過對電路板進行穩態熱傳遞分析，而獲得的熱通量和溫度場圖像，可以幫助設計師優化散熱片的幾何形狀和位置。

當把石子投進池塘時，水面會激起層層漣漪，之后又漸漸恢復平靜。在這個例子中，靜止的水面代表了池塘的穩定狀態，而漣漪則代表了一種瞬時狀態。

所有熱傳遞過程都會先經歷瞬態，最終到達穩態；瞬態熱傳遞就好比池塘里的漣漪。

任何物理過程（例如振蕩、振動或熱傳導）都有穩態和瞬態。所有的過程在經歷了瞬態之后，都會達到一個穩定的狀態。在穩態熱傳遞中，溫度自始至終是恒定的；而在瞬態熱傳遞中，溫度隨時間而變化。

穩態與瞬態熱傳遞的基本概述

熱傳遞是指，由于溫度差異，熱能從一個區域傳遞到另一個區域。熱量總是從高溫區域流向低溫區域。溫度梯度是熱傳的原動力，如果沒有溫度梯度，凈熱傳遞就等于零。熱傳遞有三種傳熱模式：熱傳導、熱對流和熱輻射。無論哪種傳熱模式，都有穩態和瞬態。

讓我們比較一下穩態熱傳遞與瞬態熱傳遞。

1. 穩態傳熱

如果傳熱具有特定的恒定傳熱速率，那么便是穩態傳熱。穩態傳熱可以是熱傳導、熱對流或熱輻射過程。

圖為使用Cadence? Celsius? Thermal Solver獲得的穩態溫度場圖像，圖像中模擬了電子系統周圍對流和強制對流的影響。

無論何種傳遞方式，在穩態傳熱中，其熱流率在任何時間點都保持不變。穩態傳熱可以用溫度作為變量來描述；在穩態傳熱中，在達到熱平衡后，系統的溫度不再隨時間變化。

2. 瞬態傳熱

瞬態傳熱也可稱為非穩態傳熱。這種類型的傳熱只在短暫的時間內存在。在瞬態傳熱中，通過介質傳遞的熱能不是恒定的。熱流率不斷變化，導致熱傳遞率變化的原因可以是介質上的溫差波動，也可以是介質屬性的變化。

在現實世界中，熱傳遞一開始是瞬態的，然后達到穩態，即達到熱平衡。

穩態溫度對器件故障率的影響

在電子電路中，當一個器件的穩態溫度超過其數據手冊中規定的極限時，就會有損器件的壽命。隨著穩態溫度升高，器件的故障率呈指數級增長。不過，可以通過在器件上安裝散熱片來控制溫度。散熱片的幾何形狀、翅片的長寬比、壓力和空氣動力學屬性都會影響從器件到散熱片，以及從散熱片到環境的熱傳遞。

Celsius Thermal Solver 可同時提供瞬態和穩態分析。

穩態傳熱分析

通過穩態傳熱分析得到電路板的熱通量和溫度場圖像，可以確定是否需要強制對流或散熱風扇，優化散熱器的幾何形狀和位置，以及優化計算機處理器外殼的設計。

瞬態傳熱分析

如果設計師想確定電子 的溫度曲線與時間的關系，應該進行瞬態傳熱分析。在器件發熱停止的情況下，設計師可以通過瞬態傳熱分析來確定冷卻的速率。當器件重新開始發熱時，就可以得知重新發熱的速率。

在比較了穩態與瞬態傳熱分析后，我們可以看出兩者都有各自的優點，對于提高電子電路板的熱性能而言都是至關重要的。那么，是否可以同時進行穩態與瞬態傳熱分析呢？

當然可以

Celsius Thermal Solver是 Cadence 推出的業內首款用于完整電熱協同仿真系統分析的熱求解器，經過生產驗證，其大規模并行運算可以在不犧牲精度的前提下提供比現有解決方案加快10倍的性能，并同時提供：

瞬態分析和穩態分析，實現精確的電熱協同仿真

有限元分析（FEA）與計算流體動力學（CFD），實現完整系統分析

與Cadence IC、封裝和PCB設計實現平臺集成，加速并簡化設計迭代

文章來源： Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇