热设计规范 散热设计 Thermal文档格式.docx
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热传导:
物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导,简称导热。
热传导系数:
表征材料导热性能的参数指标,它表明单位时间、单位面积、负温度梯度下的导热量。
单位:
W/(m•℃)。
对流换热:
由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移,冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程,或是指流体流经固体壁面时的一种能量交换现象。
自然对流:
由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流。
强迫对流:
流体的运动由外力(泵、风机等)引起的对流。
对流换热系数:
反映两种介质对流换热过程的强弱,表明当流体与壁面的温差为1℃时,单位时间内通过单位面积的热量。
W/(m2•℃)。
热辐射:
物体通过电磁波来传递能量的方式成为辐射,其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。
不同物体的热辐射能力与其表面的温度、粗糙程度、氧化程度、表面涂料等表面状态有关。
黑度:
表明物体的辐射力接近绝对黑体辐射力的程度。
热阻:
热量在热流路径上遇到的阻力,反应介质或介质间传热能力的大小,表明1W热量所引起的温升大小。
热量传递过程中,温度差是过程的动力,好像电学中电压,换热量是被传递的量,好像电学中的电流,用电阻的概念来理解导热过程的阻力,称为热阻。
即R=△t/Q,单位:
℃/W。
接触热阻:
两个名义上相接触的固体表面,实际上接触仅发生在一些离散的面积元上,在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气,热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层,与理想中真正完全接触相比,这种附加的热传递阻力称为接触热阻。
功耗:
功率的损耗,指设备、器件等输入功率和输出功率的差额。
电路中通常指元器件耗散的热能功率,单位:
W。
热设计功耗:
TDP:
ThermalDesignPower,是反应一颗处理器热量释放的指标,它的含义是当处理器达到最大负荷时释放的热量,单位:
热流密度:
单位面积的热流量,单位:
W/m2。
流阻:
流体流动的阻力,由于流体的粘性和固体边界的影响,使流体在流动过程中受到阻力,这种阻力称为流动阻力,可分为沿程阻力和局部阻力两种。
沿程阻力:
在边界沿程不变的区域,流体沿全部流程的摩擦阻力。
局部阻力:
在边界急剧变化的区域,如断面突然扩大或突然缩小,或弯头等局部位置,流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。
层流与湍流(紊流):
层流指流体呈有规则的,有序的流动,换热系数小,流阻小;
湍流指流体呈无规则,相互混杂的流动,换热系数大,流阻大。
雷诺数(Re):
雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的大小之比,雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。
普朗特数(Pr):
普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。
格拉晓夫数(Gr):
反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小,是说明自然对流换热强度的一个相似准则,Gr越大,表面流体所受浮升力越大,流体的自然对流越强。
努谢尔特数(Nu):
反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱,是说明对流换热强弱的一个相似准则。
热点:
元器件、散热器和冷板的各个局部表面温度最高的位置。
热点器件指单板上温度最高和较高的器件。
通风机工作点:
系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机的工作点。
温度稳定:
当设备处于工作状态时,设备中发热元器件的表面温度每小时变化波动范围在±
1℃内时,称温度稳定。
定性温度:
确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。
外部环境温度:
自然冷却时指距离产品各主要表面80mm处的温度平均值;
强迫风冷(使用风扇)时指距离空气入口80-200mm截面的温度平均值。
机柜/箱表面温度:
设备达到稳定温度时各主要外表面几何中心点上温度的平均值。
温升:
用△T表示,是元器件表面温度与设备外部环境温度的差值。
温度与温升的区别:
温度是量化介质热性能的一个指标,是一个绝对概念;
温升是指介质自身或介质间的温度变化范围,它总是相对于不同时刻或同一时刻的另一介质而言的,是一个相对概念。
测温点:
Tj:
芯片发热结点的温度;
Tc:
芯片封装外壳表面的温度;
Ts:
散热器与发热元件相接触的底面温度;
Ta:
测试产品放置周围的环境温度;
4产品热设计的基本原则
1)进行产品的热设计应与硬件设计、PCB布局设计、结构设计同时进行,平衡热设计、结构设计、硬件设计、PCB布局的各种需求;
2)热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标准;
3)热设计应满足产品的可靠性指标,以保证产品内部的元器件均能在设定的热环境中正常工作,并保证达到设定的MTBF指标;
4)产品元器件的选型、安装位置与方式必须符合散热需求;
5)模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热保护回路,以提高产品的可靠性;
6)在进行热设计时,应考虑相应的设计冗余,以避免在使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加;
7)热设计应考虑产品的经济性指标,在保证散热需求的前提下使其结构简单可靠、体积小、重量轻、成本低;
8)散热物料的选型应优先选用公司相应优先库中已有的物料,杜绝重复设计。
5产品的热设计流程
完整的热设计过程包括系统散热方案的确定、详细分析设计、样机测试等过程,是一个反复修正,多次验证的闭环过程。
如下面图1所示:
图1热设计流程框图
在产品研发的各个不同阶段,热设计工作如下:
5.1项目启动阶段
确认产品的使用环境和安装情况、用户对产品噪声的要求、用户对散热方式的要求及本公司、其它公司同类产品的散热设计与效果等。
确定产品的外形尺寸、配置情况、总功耗及各部分的功耗、功耗较大的重点单板(器件)位置。
确认主要发热芯片、元器件的功耗和规格温度。
根据热流密度、体积功率密度设备结构形式等评估散热的可行性。
5.2方案设计阶段
通过较详细的热计算或热仿真,提出热设计方案,包括确定系统的冷却方式(自然冷却、强迫风冷或其它);
确定风道、选择风机的型号、数量及布置;
对防尘网、导风板、隔热板、通风网板的设计提出要求;
对元器件的选型提出要求;
对PCB布局和系统中单板及元器件的布局提出要求等。
必要时,还需要对重点元器件和重点区域进行热模拟实验。
通过项目组方案评审并输出《整机散热方案设计书》或《板卡散热方案设计书》。
5.3样机设计阶段
在样机设计阶段进行详细分析设计,硬件工程师要满足热设计方案中对单板和元器件布局提出的要求,且要提供重点元器件(芯片)的资料以及相应的功耗信息;
热设计工程师要具体体现热设计方案的要求,此外,还要根据具体的元器件(芯片)情况,做散热器选型和优化,风扇选型和安装位置,通风孔的位置和开孔率等工作。
5.4样机制作、调试和测试阶段
对前面的热设计方案结合样机实物进行验证,检验和总结等工作,并根据测试结果,提交热测试报告,对热设计做出进一步改进和验证。
5.5试产阶段
将最终改进好的热设计方案导入产品试产,使其工程化,受控相应的设计资料,分析和总结热设计过程中的经验和教训,并最终完成产品的热设计工作。
6单板产品的热设计
6.1PCB热特性
PCB是由FR4和铜箔组成的分层复合结构,FR4导热系数0.3W/(m•K),铜导热系数380W/(m•K)。
由于Cu与基材导热性能的差异,多层PCB基板导热特性为各向异性,整体的导热系数是各向异性的,相似的材料如石墨、木材。
在PCB平面XY方向导热系数高,一般范围在10~45W/(m•K),在PCB法线Z方向导热系数很低,约0.3W/(m•K)。
如下面图2所示。
图2PCB分层复合结构
6.2PCB散热
不考虑外部条件,PCB只能通过提高自身内部导热率来改善PCB散热,使PCB尽量温度均匀。
针对PCB的热特性,PCB优化散热的思路为:
(1)把器件的热量传递到PCB内部,减少器件向PCB的传热热阻,可采取的强化散热措施是:
1)在单板上打散热过孔,改善层与层之间的热连接以及增加法线Z方向上的导热能力,降低器件与PCB之间的传热热阻。
单考虑散热过孔是没有意义的,因为热量必须从四周汇集到过孔的位置,因此必须考虑散热过孔区域整体的传热情况。
2)在单板表面铺铜皮。
如下面图3所示。
图3PCB铺铜皮和打散热过孔示意图
(2)把PCB一点积聚的热量(从器件传入的)扩散到整体PCB的表面,再通过对流和辐射传递到外界环境中,可采取的板级强化散热措施是:
增加铜箔密度,降低热量在单板平面XY方向传递的扩展热阻。
6.3器件布局原则
(1)基本原则
1)发热器件应尽可能分散布置,使得单板表面热耗均匀,有利于散热。
2)不要使热敏感器件或功耗大的器件彼此靠近放置,使得热敏感器件远离高温发热器件,常见的热敏感的器件包括晶振、内存、CPU等。
3)要把热敏感元器件安排在最冷区域。
对自然对流冷却产品,如果外壳密封,要把热敏感器件置于底部,其它元器件置于上部;
如果外壳不密封,要把热敏感器件置于冷空气的入口处。
对强迫对流冷却设备,可以把热敏感元器件置于气流入口处。
如下面图4所示。
图4PCB上器件布局优化对比示意图
(2)强迫风冷的器件布局原则
1)参考板内流速分布特点进行器件布局设计,在特定风道内面积较大的单板表面流速不可避免存在不均匀问题,流速大的区域有利于散热,充分考虑这一因素进行布局设计将会使单板获得较优良的散热设计。
2)对于通过PWB散热的器件,由于依靠的是PWB的整体面积来散热,因此即使器件处于局部风速低的区域内,也并不一定会有散热问题,在进行充分热分析验证的基础上,没有必要片面要求单板表面风速均匀。
3)当沿着气流来流方向布置的一系列器件都需要加散热器时,器件尽量沿着气流方向错列布置,可以降低上下游器件相互间的影响。
如无法交错排列,也需要避免将高大的元器件(结构件等)放在高发热元器件的上方。
如下面图5和图6所示。
图5优化前布局图6优化后布局
4)对于安装散热器的器件,空气流经该器件时会产生绕流,对该器件两侧的器件会起到换热系数强化作用;
对该器件下游的器件,换热系数可能会加强,也可能会减弱,因此对于被散热器遮挡的器件需要给出特别关注。
5)注意单板风阻均匀化的问题,单板上器件尽量分散均匀布置,避免沿风道方向留有较大的空域,从而影响单板元器件的整体散热效果。
如下面图7所示。
不良布局改进后布局
图7单板风阻均匀化示意图
7整机产品的热设计
7.1冷却方式的选择
在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却,只有在自然冷却无法满足散热要求时,才考虑其它冷却。
选择冷却方法时,主要考虑下列因素:
产品的热流密度、体积功率密度及温升等。
一般地说,热流密度小于0.08W/cm2,采用自然冷却方式;
热流密度超过0.08W/cm2,体积功率密度超过0.18W/cm3,须采用强迫风冷方式。
当然,应用上述这个判据是有前提的:
一是上述方法是假设热量均匀分布在整个产品的体积中;
二是产品内的热量能充分地传到产品表面。
温升为40℃时,各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值如下面图8和图9所示。
图8热流密度
图9体积功率密度
冷却方法可以根据热流密度与温升要求,按下面图10选择,这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却。
图10不同冷却方式的温升对比
7.2自然冷却计算
自然冷却机箱(柜)的散热主要是通过表面辐射散热和空气自然对流换热两种形式。
一般地说,机柜(机箱)的外表面可看作自然对流的扩展表面,如果热源与机柜(机箱)有导热连接,可能导致表面温度升高,对操作人员造成不舒适的工作环境,因此,涉及到人机结合操作界面的机柜(机箱)其表面温度不得高出周围环境15℃。
7.2.1机箱(柜)表面辐射散热
辐射散热的大小与表面温度、形状、表面粗糙度、材料、涂层和颜色等因素有关,即:
Q1=εAσ(T14-T24)
其中,Q1---辐射散热量,W
ε---散热表面的黑度
A---散热表面面积,m2
σ---玻尔兹曼常数,5.67×
10-8W/(m2•K4)
T1---散热表面温度,K
T2---环境温度,K
7.2.2机箱(柜)表面自然对流散热
对在海平面任意方向尺寸小于600mm的机箱(柜),表面的自然对流换热可以用下列简化公式计算:
Q2=2.5CA△t1.25/D0.25
其中,Q2---表面自然对流散热量,W
C---系数,水平板时,热面朝上为0.54,朝下为0.27;
竖平板时为0.59
A---散热面积,m2
△t---换热表面与流体(空气)的温差,℃
D---特征尺寸,对于竖平板或竖圆柱,特征尺寸为高度H,其它,为(长+宽)/2,m
7.2.3机箱的开孔设计
当Q1+Q2小于机箱(柜)的总功耗时,必须在机箱(柜)上开通风孔,使冷空气从机箱(柜)的底部进入,热空气从顶部排出。
通风孔的面积为:
S=(Q-Q1-Q2)/2.4×
10-3H0.5△t1.5
其中,S---进(出)风口面积,cm2
Q---机箱(柜)总功耗,W
H---机箱(柜)的高度,cm
△t---机箱(柜)的温升,℃
小机箱的通风孔面积可从下面图11查得:
通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离,进风孔应开在机箱的下端接近底板处,出风孔应开在机箱侧上端接近顶板处,以形成烟囱效应。
图11机箱通风面积与耗散功率对照图
7.2.4自然对流散热器的设计
应用散热器,其实质是通过散热器与冷却流体的接触来增大有效散热面积。
在自然对流状态下,散热器的肋片应尽量垂直于水平面。
自然冷却用散热器其肋片间距应比强迫对流时的大,此外,肋片间距还与散热器的长度有关,下面表1可以作为参考:
表1:
散热器肋片长度与间距设计参考表
气流状况
肋片长度
75mm
150mm
225mm
300mm
自然对流
6.5mm
7.5mm
10mm
13mm
1.0m/s
4.0mm
5.0mm
6.0mm
7.0mm
2.5m/s
2.5mm
3.3mm
5.0m/s
2.0mm
3.0mm
3.5mm
散热器性能与垂直气流方向的宽度成正比,与气流方向长度的平方根成正比,所以增加散热器宽度的效果要好于增加长度;
另外,型材散热器的肋片表面增加波纹可以增加10%到20%的散热能力;
最后,在自然对流情况下,辐射热传递作用较突出,辐射热传递可以提高25%的散热量,所以,除非是器件附近有高热源,散热器表面都应涂覆或氧化处理以提高辐射性能。
当然,我们也可以定量地优化散热器的设计,这在下面将讨论到。
散热器的自然对流散热可以按下式简化计算:
Q=hcA△t
hc=1.07×
10-4(△t/L)0.25
其中,Q---散热器对流散热量,卡/秒(1卡/秒=4.18W)
hc---对流换热系数,卡/秒cm2•℃
A---散热器散热面积,cm2
△t---散热器表面温度与环境温度之差,℃
L---散热器的特征长度,等于肋片的长度,cm
7.2.5自然冷却设计其它应注意的问题
(1)自然冷却时,设备内部的主要传热方式应采用导热,尽量减小发热器件到机壳的传导热阻,尽量不采用辐射作为主要的传热方式,因为大量的辐射传热需要很大的温差,且由于辐射能量的散射,控制热流通路比较困难;
另外,要加强内部空气对流(借助风机);
(2)对于完全密封,且为自然散热,在保证将内部热量充分传导到外壳的前提下,考虑增加机壳表面积,例如,如果采用压铸件,可以将外壳表面设计成象散热器那样的肋片,以增加自然对流换热面积;
也需要考虑使辐射散热尽可能大,如增加散热外表面的粗糙度、发黑处理等;
(3)采用隔热板进行屏蔽隔离时,一般采用黑度低、表面光洁度高的材料做隔热板;
(4)自然冷却时,不管采用何种冷却系统,都应保证内部热流不会使设备外表面的温度上升到人所不能忍受的程度;
如果需要将热量引到外壳上,最好不要在正面需要经常接触的地方,而是侧面或背面上。
7.3强迫风冷计算
一般地,当电子设备的热流密度超过0.08W/cm2,体积功率密度超过0.18W/cm3时,单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题,需采用强迫风冷散热。
机箱(柜)的表面辐射散热、表面自然对流散热和机箱的开孔设计见前面的自然冷却。
7.3.1强迫对流换热计算
Q=hcAΔt
其中:
Q--强迫对流的换热量,W
A--散热表面面积(m2),若散热体为印制板,则散热表面积为1.3倍的单面面积,因为背面散热量大约为前面的30%。
Δt--风道内主器件表面温度与机箱内温度之差℃。
hc--对流换热系数,与风道尺寸形状有关。
hc可按下面计算:
1)准则方程雷诺数Re的计算公式为:
Re=ρvD/μ
其中,ρ--流体的密度,kg/m3;
v--流体流速,m/s;
μ--流体动力粘度,Pa•s;
D--特征尺寸,m。
强迫对流换热准则方程见下面表2:
表2:
强迫对流换热方程
换热表面形状
Re范围
流态
准则方程
特征尺寸
管内
流动
<
2200
>
104
层流
紊流
Nu=1.86(RePrD/l)1/3(μl/μw)0.14
Nu=0.023Re0.8Pr0.4
其中,D--特征尺寸,m;
l--管长,m;
μl--平均温度下流体的动力粘度,Pa;
μw--壁温下流体的动力粘度,Pa
内径或当量直径
沿平板流动(或平行柱体流动)
105
Nu=0.66Re0.5
Nu=0.032Re0.3
沿流动方向长度
而努谢尔特数Nu为:
Nu=hcD/λ
其中,hc--对流换热系数,W/(m2•℃);
D--特征尺寸,m;
λ--流体的导热系数,W/(m•℃);
2)hc=JCpGPr-2/3
其中,Cp--定压空气比热容,J/(kg•℃)
G--通道的单位面积的质量流量,kg/(m2•s)
Pr--普朗特数
J--考尔本数,取决于雷诺数Re及通风道结构尺寸与形状。
当200≤Re≤1800,风道为矩形,长宽比≥8时:
J=6/(Re0.98)
风道为正方形时:
J=2.7/(Re0.95)
当104≤Re≤1.3×
105,紊流时:
J=0.23/(Re0.2)
当400≤Re≤1500,通道为扁平肋片式冷板时:
J=0.72/(Re0.7)
上面,单位面积的质量流量G=qm/A,其中qm为质量流量,A为通风道横截面积。
qm=Ф/(Cp△t)=ρqv
其中,Φ--热流量,W
ρ--空气密度,kg/m3
qv--体积流量,m3/s
7.3.2芯片散热器的设计
对于功耗较大的芯片,即使在强迫对流的情况下,也需要加散热器。
下面的方法适用于散热器的设计:
(1)散热器总热阻:
θja=θjc+θcs+θsa或(Tj-Ta)/P=θjc+θcs+θsa
P—半导体器件耗散功率,W
Ta—环境温度,℃
Tj—半导体器件结温,℃
θja—总热阻,℃/W
θjc—半导体器件内热阻,即结到壳的热阻,℃/W;
θcs—半导体器件与散热器之间介质的接触热阻,即壳到散热器的热阻,℃/W;
θsa—散热器热阻,即散热器到周围环境空气的热阻;
(2)上式中,结温Tj和芯片内热阻θjc可由芯片资料查到;
接触热阻θcs根据实际情况,一般为0~1℃/W;
(3)散热器热阻θsa=1/hcSη
S--散热器的总散热面积,m2;
η--散热器的效率;
(4)散热器散热面积S=n•Sf
其中,n--散热器肋片数;
Sf--散热器每肋片表面积。
又:
Sf=Hf’•Lf
其中,肋片计算高度Hf’=Hf+0.5tf;
肋片计算长度Lf’=2×
(L+tf);
Hf--散热器肋片高度,m
Tf--散热器肋片厚度,m
L--散热器肋片长度,m
(5)散热器的效率η=tanh(φ•Hf’)/(φ•Hf’)
其中,φ2=hcLf’/KSff
hc--对流换热系数,W/(m2•℃)
Lf’--肋片计算长度
K--散热器的导热系数
Sff=L×
tf
Hf--为同上边计算高度;
注意:
①一般情况下,固定在散热器上的芯片散热面面积较散热器底座面积要小,实质上此处有传导热阻,散热器底座与芯片接触的部分要有良好的平整度,以免产生额外的接触热阻;
②上述计算中认为散热器材料是理想导热材料,散热器中不存在温差;
③上述计算是以强迫对流为例,实质上也适用于自然散热,只不过此时的换热系数要用自然对流情况下的。
7.3.3风扇的选择计算
(1)直流风扇的分类
有轴流(Axial)、离心(Radial)、混流(Mixed-flow)三种。
轴流风扇:
特点是风量大、风压低,风量风压曲线中间的平坦转折区为轴流风扇特有的不稳定工作区,一般要避免风扇工作在该区域。
最佳工作区在低风压、大流量的位置。
如果散热片的流阻比较大,也可以利用高风压、低流量的工作区,但要注意风量是否达到设计值。
离心风扇:
风扇的进风和出风的方向垂直,其特点为风压大、风量低,最好工作在曲线中压力较高的区域,即高风压、低风量。
混流风扇:
其特点介于轴流和离心之间,风扇的出风和进风的方向有一定的倾斜角度,风量可以立即扩散到散热片的各个角落,而且风压与风量都比较大,但风扇HUB直径较大,正对HUB的部分风速很低,回流比较严重,比较适用于嵌入式风扇的散热模组。
如下面图12所示的三种风扇的PQ曲线图:
图12三种风扇的PQ曲线图
(2)风扇的特性
风扇的风量风压特性曲线决定风扇的性能和使用特性,从曲线可以看出,要使风扇的风量越大,其产生的静压就越小,用于克服风道阻力的能力就越小
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