Thermal study · CHT · Raspberry Pi 5 · 2026-09-25

樹莓派 5 散熱評估

Raspberry Pi 5 裝在官方外殼（Raspberry Pi Case for Raspberry Pi 5）內、風扇全速、滿載時的 SoC 溫度預估，並比較原廠小散熱片與加大散熱片兩種配置。幾何取自 Raspberry Pi 官方 STEP 與尺寸圖，以空氣、PCB、SoC、散熱片四區耦合熱傳（CHT）計算。

總發熱 7 W（SoC 6 W + RP1 1 W） 進風 25 ℃ 風扇 官方外殼風扇，P-Q 曲線 求解器 OpenFOAM v2312 建模 FreeCAD 1.0
摘要

原廠小散熱片的 SoC 為 81.5 ℃，已超過 80 ℃ 的第一段降頻門檻；換成 加大散熱片後降到 52.6 ℃（−28.9 ℃），離降頻門檻有 27 ℃ 裕度。

  • 原廠小散熱片只帶走 SoC 熱量的 20 %，其餘 76 % 從 PCB 散掉，PCB 成了主要散熱路徑，所以溫度偏高。加大散熱片後，74 % 的熱改由散熱片帶走。
  • 加大散熱片幾乎不增加風扇負載：系統壓降由 7.0 Pa 變成 7.6 Pa，風量只從 1.06 降到 1.03 L/s。
  • 與官方實測對照：官方外殼蓋上蓋子、滿載時約 74 ℃。本模擬的原廠配置高了約 7.5 ℃，屬於偏保守的預估（原因見第 7 節）。
原廠散熱片 SoC81.5 ℃超過 80 ℃ 降頻門檻 1.5 ℃
加大散熱片 SoC52.6 ℃裕度 27.4 ℃
熱阻 Rth（SoC→進風）9.42 → 4.60℃/W，降低 51 %
風扇工作點≈1.05 L/s7–8 Pa，兩案幾乎相同

仍需實測確認

  • SoC 6 W 是估算值，官方未公布 BCM2712 的滿載功耗。溫度對功耗大約是線性：每 ±1 W，原廠配置約 ±9 ℃，加大配置約 ±4.6 ℃。
  • 實機風扇由韌體溫控（60 / 67.5 / 75 ℃ 三段），本模擬固定全速。
1 · 目的與範圍

要回答的問題

本次回答

  • 官方外殼 + 原廠 12×17×4 mm 散熱片，滿載時 SoC 會不會超過降頻門檻（80 ℃）？
  • 把散熱片加大到 29.5×35×8 mm，能降多少溫度？會不會增加風扇負載？
  • 熱量主要從哪裡散掉：散熱片、PCB，還是直接進空氣？

本次沒有模擬的項目

  • 輻射熱傳；外殼外表面對環境的散熱（外殼壁設為絕熱）
  • 瞬態：開機升溫過程、負載變化、風扇溫控切換
  • RAM、PMIC、USB 控制器等其他元件的發熱（只算 SoC 與 RP1）
  • SoC 與散熱片之間導熱墊的熱阻（假設完美接觸）
  • 上蓋與外框之間的進風縫隙形狀、線材、灰塵堵塞、HAT 擴充板
  • 風扇葉片旋轉造成的渦旋
2 · 模型

幾何與簡化

主板取自 Raspberry Pi 官方 STEP（MIT 授權，2689 個實體），外殼依官方產品簡介的外形尺寸建模（98.5 × 70.3 × 33 mm）。

左為官方 STEP 主板，右為簡化後的 CFD 模型
圖 1原始 CAD（左）與 CFD 簡化模型（右）。保留會影響氣流與導熱的元件：PCB、SoC、RP1、RAM、Ethernet、2 組 USB、GPIO 排針、2 個 MIPI 連接器、USB-C，全部簡化成長方塊（GPIO 40 支針合成一個 9.9 mm 高的方塊）。刪除小型 SMD 元件、螺絲孔、倒角與絲印，這些對流場與散熱的影響很小。
兩種配置的外殼流體域與散熱片
圖 2兩種配置（左：原廠小散熱片；右：加大散熱片）。藍色半透明為外殼內的空氣空間，上方方形短管是風扇進風口（28 × 28 mm，位於 SoC 正上方，向下吹），右端與兩側的短管是出風開口。
外殼內部空間
92.5 × 66 × 24.5 mm
PCB 位置
板面離外殼底 5 mm
原廠散熱片
12 × 17 × 4 mm，4 鰭
加大散熱片
29.5 × 35 × 8 mm，8 鰭
加大散熱片間隙
距 RAM 1.4、MIPI 1.6 mm
出風：連接器端
Ethernet／USB 周圍 1.5 mm 縫
出風：側面
電源＋2×HDMI，各 10×3 mm
出風：通風槽
4 條 12×2 mm（對側低處）
3 · 材料與熱源

材料、熱源與介面

零件材料k（W/m·K）ρ（kg/m³）cp（J/kg·K）發射率
PCBFR-4 + 多層銅（等效）20（等向）19001100未使用
SoC 封裝矽晶片 + 封裝（等效）602330700未使用
散熱片鋁 60632002700900未使用
空氣理想氣體—依溫度1006—
元件功耗數字來源工作模式建模方式
BCM2712 SoC6 W估算（官方未公布滿載功耗）4 核滿載SoC 區域的體積熱源
RP1 I/O 控制器1 W估算I/O 活動中元件表面加熱（空氣側）
SoC–散熱片介面—官方附自黏導熱墊—假設完美接觸（未建模）
4 · 邊界條件與求解設定

邊界條件與求解器

邊界條件

  • 進風溫度 25 ℃：室內常溫。
  • 重力 −z：外殼平放、上蓋朝上。
  • 風扇：P-Q 曲線，由 (0 L/s, 40 Pa) 線性到 (1.32 L/s, 0 Pa)。最大風量 1.32 L/s（2.79 CFM）取自官方規格；最大靜壓 40 Pa 為假設值，官方未公布。
  • 出風口：大氣壓（101325 Pa）。
  • 外殼壁面：絕熱、不滑移。
  • 海拔：海平面。

求解設定

  • OpenFOAM v2312 chtMultiRegionSimpleFoam，穩態，4 區耦合（air / pcb / soc / hs）。
  • 紊流模型 k-ω SST：風扇出口的噴流撞擊與分離流，用這個模型比較穩。
  • 開啟浮力，未算輻射。
  • 各 3000 步；8 核平行，原廠配置約 35 分鐘、加大配置約 26 分鐘（計算時間）。
  • 網格 snappyHexMesh：基本 2 mm，散熱片與 PCB 表面 0.5 mm，出風縫隙區加密到 0.5 mm。
5 · 結果

兩種配置比較

配置SoC 最高溫度降頻裕度Rth散熱片最高出風溫度風量壓降回推熱量
加大散熱片29.5×35×8 mm，覆蓋 SoC + RAM
52.6 ℃
 +27.4 ℃4.60 ℃/W52.3 ℃30.7 ℃1.03 L/s7.64 Pa7.01 W
原廠小散熱片12×17×4 mm（官方外殼附）
81.5 ℃
 −1.5 ℃9.42 ℃/W81.2 ℃30.6 ℃1.06 L/s6.96 Pa7.00 W

長條刻度 0–90 ℃。「回推熱量」由出風溫升 × 質量流率 × cp 計算，應等於總發熱 7 W。Rth = (SoC 溫度 − 進風溫度) / 6 W。降頻裕度 = 80 ℃ − SoC 溫度，綠色 ≥ 10 ℃、黃色 < 10 ℃、紅色超過門檻。Raspberry Pi 在 80 ℃ 開始降頻，85 ℃ 進一步降頻。

SoC 熱量去向原廠小散熱片加大散熱片
→ PCB4.56 W（76 %）1.56 W（26 %）
→ 散熱片1.21 W（20 %）4.42 W（74 %）
→ 空氣（SoC 側面）0.23 W（4 %）0.01 W（0 %）
兩種配置的 SoC 溫度與系統壓降長條圖
圖 3SoC 溫度與系統壓降。兩項分開作圖，不共用座標軸。
6 · 圖面

溫度與流場

左：原廠小散熱片；右：加大散熱片。除圖 8 外，兩格使用相同色階。

PCB、SoC 與散熱片的溫度分佈
圖 4固體溫度：PCB + SoC + 散熱片（30–90 ℃）。原廠配置的熱點集中在 SoC，熱量以 SoC 為中心往整片 PCB 擴散。加大散熱片後，整片 PCB 降到 40–50 ℃。PCB 上的缺口是連接器所在位置，這些元件簡化成擋風方塊，沒有計算導熱。
z=6 mm 水平切面的空氣溫度
圖 5鰭片高度 z = 6 mm 的空氣溫度（25–50 ℃）。原廠散熱片的鰭片短，只有周圍一圈薄薄的熱空氣。加大散熱片把熱交給更多空氣，鰭片之間的熱空氣從兩側流向 USB 端出風口。
通過 SoC 的垂直切面風速
圖 6通過 SoC 中心的垂直切面風速（0–3 m/s）。風扇氣流向下直吹散熱片，打到板面後往兩側分流，一部分繞到 PCB 下方，最後從 USB 連接器周圍的縫隙高速流出（約 2.5 m/s）。風扇正下方有一個低速區（停滯點）。
從風扇入口放出的流線
圖 7流線，以空氣溫度著色。氣流進入外殼後在內部大範圍迴旋，才從連接器端與側面開口離開。
SoC、散熱片與 PCB 的導熱剖面
圖 8通過 SoC 的導熱剖面（各自依資料範圍著色）。原廠配置：SoC 與散熱片約 81 ℃，PCB 從 SoC 往外降到 50 ℃，溫差大，代表 PCB 正在傳導大量熱。加大配置：整個剖面只差 12 ℃，熱量改由散熱片帶走。
7 · 驗證

收斂、網格與實測對照

兩種配置 SoC 溫度隨迭代步數的收斂曲線
圖 9SoC 最高溫度收斂。灰底是最後 30 % 的步數。原廠配置在最後 900 步只變化 0.26 K，加大配置只變化 0.02 K。PCB 導熱擴散慢，所以原廠配置需要約 2500 步才穩定。
項目原廠小散熱片加大散熱片判定
網格 cells（air / pcb / soc / hs）412,217 / 29,448 / 5,780 / 3,264472,937 / 29,448 / 5,780 / 29,960—
checkMesh 最大偏斜度（air）2.923.54OK（< 4）
能量守恆（出風回推 / 設定）7.00 / 7.00 W7.01 / 7.00 W誤差 < 0.2 %
收斂擺盪（最後 30 %）0.26 K0.02 K< 1 K
網格獨立性測試未做列入限制

與官方實測對照

  • 官方外殼蓋上蓋子、滿載：約 74 ℃（Raspberry Pi 官方測試，冷氣辦公室）。
  • 本模擬原廠配置：81.5 ℃，高 7.5 ℃。
  • 偏高的可能原因：SoC 6 W 估算偏高；PCB 等效 k = 20 偏低（實際銅層更多）；外殼壁面設為絕熱、沒有算輻射；實機辦公室氣溫可能低於 25 ℃。這些因素都會讓模擬偏保守。
  • 預估誤差範圍：±5–8 ℃。

第一版模型的教訓

  • 第一版把 PCB 當絕熱擋板、風扇用固定風量 1 L/s，算出 SoC 239 ℃、壓降 718 Pa，明顯不合理。
  • 原因：第 5 節的熱量分析顯示，原廠配置有 76 % 的熱從 PCB 散掉，漏掉 PCB 導熱就等於堵住主要散熱路徑。只開連接器縫隙、又強制固定風量，壓降就被放大到 100 倍。
  • 第二版（本報告）改為 PCB 導熱、補齊側面與通風槽開口、風扇使用 P-Q 曲線，結果落在實測的合理範圍內。

限制

  • SoC 與 RP1 功耗為估算值，每 ±1 W 的 SoC 功耗約對應原廠配置 ±9.4 ℃、加大配置 ±4.6 ℃。
  • 風扇 P-Q 曲線的最大靜壓（40 Pa）是假設值；風扇固定全速，實機由溫控降速。
  • PCB 用等向等效導熱係數 20 W/m·K；實際為面內高、厚度方向低的非等向材料。
  • SoC–散熱片之間的導熱墊熱阻未建模。若以約 1 K/W 估計，SoC 約再加 1–5 ℃（流經散熱片的熱量：原廠 1.2 W、加大 4.4 W）。
  • 外殼壁面絕熱、未算輻射，結果偏保守。RAM、PMIC 等元件的發熱未計入，這部分會讓結果偏樂觀。
  • 未做網格獨立性測試；風扇以均勻進風近似，未計入葉片旋轉。
8 · 建議

設計建議與實測計畫

設計建議

  1. 加大散熱片（本報告方案）：SoC −28.9 ℃，壓降只增加 0.7 Pa，是效益最高的改法。要注意和 RAM（1.4 mm）、MIPI 連接器（1.6 mm）的間隙，底部要墊絕緣導熱墊。
  2. 保留原廠散熱片時：換成厚度較薄、k 值較高的導熱墊，並確認 PCB 背面沒有被外殼底部悶住。溫度會落在降頻門檻附近，長時間滿載會降頻。
  3. 替代方案：官方 Active Cooler（官方實測 62–63 ℃）。它高 13.7 mm，要先確認外殼內部高度與風扇框能容納。

建議實測項目

  • SoC：vcgencmd measure_temp，以 stress-ng --cpu 4 滿載 30 分鐘，記錄穩定值與降頻旗標（vcgencmd get_throttled）。
  • 熱電偶 T1：散熱片頂面中央。
  • 熱電偶 T2：PCB 背面 SoC 正下方。
  • 熱電偶 T3：USB 端出風縫隙。
  • 熱電偶 T4：外殼外 10 cm 的環境溫度。
  • 用 USB 功率計量整板功耗，回推 SoC 的實際功耗，再校正本模型。
9 · 附錄

參數、名詞與參考資料

名詞

CHT
耦合熱傳：空氣流動與固體導熱一起算
Rth
熱阻，每 1 W 熱量造成的溫升（℃/W），越小越好
P-Q 曲線
風扇在不同壓力下能提供的風量
RANS
以時間平均描述紊流的穩態計算方法
降頻
晶片過熱時自動降低時脈以保護自己，效能下降

參考資料