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电子产品散热设计

yealink

产品热设计

VCS项目散热预研

欧国彦

2012-12-4

热设计、冷却方式、散热器、热管技术

电子产品的散热设计

一、为什么要进行散热设计

在调试或维修电路的时候，我们常提到一个词“**烧了”，这个**有时是电阻、有时是保险丝、有时是芯片，可能很少有人会追究这个词的用法，为什么不是用“坏”而是用“烧”？

其原因就是在机电产品中，热失效是最常见的一种失效模式，电流过载，局部空间内短时间内通过较大的电流，会转化成热，热**不易散掉，导致局部温度快速升高，过高的温度会烧毁导电铜皮、导线和器件本身。

所以电失效的很大一部分是热失效。

高温对电子产品的影响：

绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。

温度对元器件的影响：

一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。

那么问一个问题，如果假设电流过载严重，但该部位散热极好，能把xx控制在很低的范围内，是不是器件就不会失效了呢？

答案为“是”。

由此可见，如果想把产品的可靠性做高，一方面使设备和零部件的耐高温特性提高，能承受较大的热应力（因为环境温度或过载等引起均可）；另一方面是加强散热，使环境温度和过载引起的热量全部散掉，产品可靠性一样可以提高。

二、散热设计的目的

控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。

最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。

三、散热设计的方法

1、冷却方式的选择

我们机电设备常见的是散热方式是散热片和风扇两种散热方式，有时散热的程度不够，有时又过度散热了，那么何时应该散热，哪种方式散热最合适呢？

这可以依据热流密度来评估，热流密度=热量/热通道面积。

按照《GJB/Z27-92电子设备可靠性热设计手册》的规定（如下图1），根据可接受的xx的要求和计算出的热流密度，得出可接受的散热方法。

如xx40℃（纵轴），热流密度0.04W/cm2（横轴），按下图找到交叉点，落在自然冷却区内，得出自然对流和辐射即可满足设计要求。

大部分散热设计适用于上面这个图表，因为基本上散热都是通过面散热。

但对于xx设备，则应该用体积功率密度来估算，热功率密度=热量/体积。

下图（图2）是xx要求不超过40℃时，不同体积功率密度所对应的散热方式。

比如某电源调整芯片，热耗为0.01W，体积为0.125cm3，体积功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3，查下图得出金属传导冷却可满足要求

按照上图，可以得出冷却方法的选择顺序：

自然冷却一导热一强迫风冷一液冷一蒸发冷却。

体积功率密度低于0.122W/cm3传导、辐射、自然对流等方法冷却；0.122-0.43W/cm3强迫风冷；0.43～O.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸发冷却。

注意这是xx要求40℃时的推荐参考值，如果xx要求低于40℃，就需要对散热方式降额使用，0.122时就需要选择强迫风冷，如果要求xx很低，甚至要选择液冷或蒸发冷却了。

2、散热器的选择

这里面还应注意一个问题，是不是强迫风冷能满足散热要求，我们就可以随便选择风扇转速呢，当然不是，风扇的转速与气流流速有直接关系，这里又涉及一个新概念——热阻。

热阻=温度差/热耗（单位℃/W）

热阻越小则导热性能越好，这个概念等同于电阻，两端的温度差类似于电压，传导的热量类似于电流。

风道的热阻涉及流体力学的一些计算，如果我们在热设计方面要求不是很苛刻，可通过估算或实验得出，如果要求很苛刻，可以查阅《GJB/Z27-92电子设备可靠性热设计手册》，里面有很多系数、假设条件的组合，三言两语说不清楚，个别系数我也没搞xx如何与现实的风道设计结合，比如，风道中有一束电缆、风道的壁不是均匀的金属板，而是有高低不平带器件的电路板，对一些系数则只能估算了，最准确的方式反而是实验测量了。

热阻更多的是用于散热器的选择，一般厂家都能提供这个参数。

举例，芯片功耗20W，芯片表面不能超过85℃，最高环境温度55℃，计算所需散热器的热阻R。

计算：

实际散热器与芯片之间的热阻近似为0.1℃/W，则（R+0.1）=（85-55）℃/20W，则R=1.4℃/W。

依据这个数值选散热器就可以了。

这里面注意一个问题，我们在计算中默认为热耗≈芯片功率，对一般的芯片，我们都可以这样估算，因为芯片中没有驱动机构，没有其他的能量转换机会，大部分是通过热量转化掉了。

而对于电源转换类芯片或模块，则不可以这样算，比如电源，它是一个能源输出，它的输入电量一部分转化成了热，另外很大部分转化成电能输出了，这时候就不能认为热耗≈功率。

3、散热器的设计方法

3.1、散热器设计的步骤

通常散热器的设计分为三步

a:

根据相关约束条件设计处xx。

b:

根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。

c:

进行校核计算。

3.2、自然冷却散热器的设计方法

3.2.1、考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

3.2.2、自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。

3.2.3、自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。

3.2.4、由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。

3.3、强迫冷却散热器的设计方法

3.3.1、在散热器表面加波纹齿，波纹齿的xx一般应小于0.5mm。

3.3.2、增加散热器的齿片数。

目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。

对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。

3.3.3、采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热齿间的对流换热系数。

3.3.4、当风速大于1m/s（200CFM）时，可完全忽略浮升力对表面换热的影响。

3.4、在一定冷却条件下，所需散热器的体积热阻大小的选取方法

3.5、在一定的冷却体积及流向xx下，确定散热器齿片最佳间距的大小的方法

3.6、不同形状、不同的成型方法的散热器的热传递效率比较的大小的方法

3.7、散热器的相似准则数及其应用方法

3.7.1、相似准则数的定义

3.7.2、相似准则数的应用

3.8、散热器的基本的优化方法

3.9、不同风速下散热器齿间距选择方法

3.10、优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式

3.11、辐射换热的考虑原则

①如果物体表面的温度低于50℃，可忽略颜色对辐射换热的影响。

因为此时辐射波长相当长，处于不可见的xx区。

而在xx区，一个良好的发射体也是一个良好的吸收体，发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。

②对于强迫风冷，由于散热表面的平均温度较低，一般可忽略辐射换热的贡献。

③如果物体表面的温度低于50℃，可不考虑辐射换热的影响。

④辐射换热面积计算时，如表面积不规则，应采用投影面积。

即沿表面各部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积，如下图所示。

辐射传热要求辐射表面必须彼此可见。

4、风路的设计方法

4.1、自然冷却的风路设计

4.1.1、设计要点：

✓机柜的后门（面板）不须开通风口。

✓底部或侧面不能漏风。

✓应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。

✓机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。

✓对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽应垂直于水平面。

对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口。

4.1.2、典型的自然冷机柜风道结构形式

4.2、强迫冷却的风路设计

4.2.1、设计要点：

✓如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源.

✓如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。

✓如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。

✓进风口的结构设计原则：

一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。

✓风道的设计原则

风道尽可能短，缩短管道xx可以降低风道阻力；

尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；

风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；

4.2.2、电源系统典型的风道结构-吹风方式

4.2.3、电源系统典型的风道结构-抽风方式

5、热设计的思路

以上部分是定量设计部分的内容，在有了一个定量的设计指导后，也有一些具体的工程技巧来帮助实现理论计算结果的要求。

一般的热设计思路有三个措施：

降耗、导热、布局。

5.1、降耗

降耗是不让热量产生；导热是把热量导走不产生影响；布局是热也没散掉但通过措施隔离热敏感器件；有点类似于电磁兼容方面针对发射源、传播路径、敏感设备的三个措施。

降耗是最原始最根本的解决方式，降额和低功耗的设计方案是两个主要途径，低功耗的方案需要结合具体的设计进行分析，不予赘述。

器件选型时尽量选用发热小的元器件，如片状电阻、线绕电阻（少用碳膜电阻）；独石电容、钽电容（少用纸介电容）；MOS、CMOS电路（少用锗管）；指示灯采用发光二极管或液晶屏（少用白炽灯），表面安装器件等。

除了选择低功耗器件外，对一些温度敏感的特型元件进行温度补偿与控制也是解决问题的办法之一，尤其是放大电路的电容电阻等定量测量关键器件。

降额是最需要考虑的降耗方式，假设一根细导线，标称能通过10A的电流，电流在其上产生的热量就较多，把导线xx，增大余量，标称通过20A的电流，则同样都是通过10A电流时，因为内阻产生的热损耗就会减小，热量就小。

而且因为降额，在环境温度升高时，器件性能下降情况下，但因为有余量，即使性能下降，也能满足要求，这是降额对于增强可靠性的另一个作用。

5.2、导热

导热的设计规范比较多，挑一些比较常见的xx具体如下：

A、进风口和出风口之间的通风路径须经过整个散热通道，一般进风口在机箱下侧方角上，出风口在机箱上方与其最远离的对称角上；

B、避免将xx及排风xx在机箱顶部朝上或面板上；

C、为防止气流回流，进口风道的横截面积应大于各分支风道截面积之和；

D、对靠近热源的热敏元件，采用物理隔离法或绝热法进行热屏蔽。

热屏蔽材料有：

石棉板、硅橡胶、泡沫塑料、环氧玻璃纤维板，也可用金属板和浇渗金属膜的陶瓷；

E、将散热>1w的零件安装在机座上，利用底板做为该器件的散热器，前提是机座为金属导热材料；

F、热管安装在热源上方且管与水平面夹角须>30度；

G、PCB用多层板结构（对EMC也有非常非常大的好处），使电源线或地线在电路板的最上层或最下层…

H、热源器件专门设计在一个印制板上，并xx、隔离、接地和进行散热处理；

I、散热装置（热槽、散热片、风扇）用措施减少热阻：

a、扩大辐射面积，提高发热体黑度；

b、提高接触表面的加工精度，加大接触压力或垫入软的可展性导热材料；

c、散热器叶片要垂直印制板；

d、大热源器件散热装置直接装在机壳上；

J、xx电子设备内外均xxxx辅助散热；为避免辐射热影响热敏器件、热源屏蔽罩内面的辐射能力要强（xx），外面光滑（不影响热敏器件），通过热传导散热；

K、xx电子设备机壳内外有肋片，以增大对流和辐射面积；

L、不重复使用冷却空气；

M、为了提高主要发热元件的换热效率、可将元件装入与其外形相似的风道内；

N、抽鼓风冷却方式的选择…

O、风机的选择…

P、被散热器件与散热器之间充填导热膏（脂），以减小接触热阻；

Q、被散热器件与散热器之间要有良好的接触，接触表面光滑、平整，接触面粗糙度Ra≤6.3μm；

R、辐射是真空中传热的唯一方法

a、确保热源具有高的辐射系数，如果处于嵌埋状态，利用金属传热器传至冷却装置上；

b、增加辐射黑度ε；

c、增加辐射面积s；

d、辐射体对于吸收体要有良好的视角，即角系数φ要大；

e、不希望吸收热量的零部件，壁光滑易于反射热。

S、机壳表面温度不高于环境温度10℃；

T、液体冷却设计注意事项…

U、半导体致冷适用于…

V、变压器和电感器热设计检查项目…

W、减小强迫对流热阻的措施…

X、降低接触热阻的措施…

……

5.3、布局

A、元器件布局减小热阻的措施：

a、元器件安装在最佳自然散热的位置上；

b、元器件热流通道要短、横截面要大和通道中无绝热或隔热物；

c、发热元件分散安装；

d、元器件在印制板上竖立排放。

B、元器件排放减少热影响：

a、有通风口的机箱内部，电路安装应服从空气流动方向：

进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集成电路→小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口，构成良好散热通道；

b、发热元器件要在机箱上方，热敏感元器件在机箱下方，利用机箱金属壳体作散热装置。

C、合理布局准则：

a、将发热量大的元件安装在条件好的地方，如靠近xx；

b、将热敏元件安装在热源下面。

零件安装方向横向面与风向平行，利于热对流。

c、在自然对流中，热流通道尽可能短，横截面积应尽量大；

d、冷却气流流速不大时，元件按叉排方式排列，提高气流紊流程度、增加散热效果；

e、发热元件不安装在机壳上时，与机壳之间的距离应>35—40cm。

D、冷却内部部件的空气进口须加过滤装置，且不必拆开机壳即可更换或清洗；

E、设计上避免器件工作热环境的稳定性，以减轻热循环与冲击而引起的温度应力变化。

温度变化率不超过1℃/min，温度变化范围不超过20℃，此指标要求可根据产品不同由厂家自行调整；

F、元器件的冷却剂及冷却方法应与所选冷却系统及元件相适应，不会因此产生化学反应或电解腐蚀；

G、冷却系统的电功率一般为所需冷却热功率的3%一6%；

H、冷却时，气流中含有水分，温差过大，会产生凝露或附着，防止水份及其它污染物等导致电气短路、电气间隙减小或发生腐蚀。

措施：

a、冷却前后温差不要过大；

b、温差过大会产生凝露的部位，水分不会造成堵塞或积水；

c、如果有积水，积水部位的材料不会发生腐蚀；

d、对裸露的导电金属加热缩套管或其他遮挡绝缘措施；

上面对降耗、导热、布局的三类措施作了简要的xx，在我们设计一个系统时，也要有一些系统的指标进行评价和作为设计目标，比如电子设备的进口空气与出口空气温差应<14℃、系统总功耗<**W、系统用到的电源电压不超过**种（种类越多，变换就多，效率损失就多）…

四、热设计的计算

1、热设计的基础理论

1.1、自然对流换热

1.1.1、大空间的自然对流换热

Nu=C（Gr.Pr）n.

定性温度：

tm=（tf+tw）/2

定型尺寸按及指数按下表选取

1.1.2、有限空间的自然对流换热

垂直封闭夹层的自然对流换热问题分为三种情况：

（1）在夹层内冷热壁的两股流道边界层能够相互结合，形成环流；

（2）夹层厚度δ与高度之比δ/h>0.3时，冷热的自然对流边界层不会相互干扰，也不会出现环流，可按大空间自然对流换热计算方法分别计算冷热的自然对流换热；

（3）冷热壁温差及厚度均较小，以厚度为定型尺寸的Gr=（Bg△tδ3）/υ3<2000时，通过夹层的热量可按纯导热过程计算。

水平夹层的自然对流换热问题分为三种情况：

（1）热面朝上，冷热面之间无流动发生，按导热计算；

（2）热面朝下，对气体Gr.Pr<1700,按导热计算；

（3）有限空间的自然对流换热方程式：

Nu=C（Gr.Pr）m（δ/h）n

定型尺寸为厚度δ，定性温度为冷热壁面的平均温度Tm=（tw1+tw2）

1.2、流体受迫流动换热

1.2.1管内受迫流动换热

管内受迫流动的特征表现为：

流体流速、管子xx段及温度场等因素对换热的影响。

xx段：

流体从进入管口开始需经历一段距离后管两侧的边界层才能够在管中心汇合，这时管断面流速分布及流动状态才达到定型。

这段距离称为xx段。

xx段管内流动换热系数是不稳定的，所以计算平均对流换热系数应对xx段进行xx。

在紊流时，如果管长与管内径xxL/d>50则可忽略xx效应，实际上多属于此类情况。

管内受迫层流换热准则式：

Nu=0.15Re0.33Pr0.43Gr0.1（Pr/Prw）0.25

管内受迫紊流换热准则式：

tw>tfNu=0.023Re0.8Pr0.4.

tw

1.3、流体动力学基础

1.3.1、流量与断面平均流速

流量：

单位时间内流过过流断面的流体数量。

如数量以体积衡量称为体积流量Q；单位为m3/s（CFM）；如数量用重量衡量称为重量流量G，单位为Kg/s。

二者的关系为：

G=γQ

断面平均流速：

由于流体的粘性，过流断面上各点的流速分布不均匀，根据流量相等原则所确定的均匀流速称为断面平均流速。

单位m/s（CFM）

V＝Q/A

1.3.2、湿xx与水力半径

湿xx：

过流断面上流体与固体壁面相接触的xx界xx。

用x表示，单位m。

水力半径：

总流过过流断面面积A与湿周xxx称为水力半径，应符号R表示，单位M。

1.3.3、恒定流连续性方程

对不可压缩流体：

V1A1=V2A2.

对可压缩流体：

ρ1V1A1=ρ1V2A2

1.3.4、恒定流能量方程

对理想流体：

Z＋p/γ+v2/2g=常数

实际流体:

由于粘性作为会引起流动阻力，流体阻力与流体流动方向相反作负功，使流体的总能量不断衰减，每个断面的Z＋p/y+v2/2g≠常数，假设流体从断面1到断面2的能量损失为hw，则元流的能量方程式为：

Z1＋p1/γ+v12/2g＝Z2＋p2/γ+v22/2g＋hw

1.3.5、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，这个阻力称为流动阻力，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檫阻力。

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、弯头等局部位置，是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。

1.3.6、层流、紊流与xx

层流：

流体质点互不混杂，有规则的层流运动。

Re=Vde/ν<2300层流

紊流：

流体质点相互混杂，无规则的紊流运动。

显然层流状态下只存在粘性引起的摩檫阻力，而紊流状态下除摩檫阻力外还存在由于质点相互碰撞、混杂所造成的惯性阻力，因此紊流的阻力较层流阻力大的多。

Re=Vde/ν<2300紊流

1.3.7、管内层流沿程阻力计算（达西公式）

hf=λ（L/de）（ρV2/2）

λ－沿程阻力系数，λ＝64/Re

1.3.8、管内紊流沿程阻力计算

hf=λ（L/de）（ρV2/2）

λ＝f（Re，ε/d），即紊流时沿程阻力系数不仅与xx有关，还与相对粗糟度ε有关。

尼古拉兹采用人工粗糟管进行试验得出了沿程阻力系数的经验公式：

紊流光滑区：

4000

λ＝0.3164/Re0.25

1.3.9、xx管道沿程阻力的计算

引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用xx管，只需把园管直径换成当量水力直径。

de=4A/x

1.3.10、局部阻力

hj＝ξρV2/2

ξ－局部阻力系数

突然扩大：

按小面积流速计算的局部阻力系数：

ζ1＝（1-A1/A2）

按大面积流速计算的局部阻力系数：

ζ2＝（1-A2/A1）

突然缩小：

可从相关的资料中查阅经验值。

2、机箱的热设计计算

Øxx机箱

WT=1.86（Ss+4St/3+2Sb/2）Δt1.25+4σεTm3ΔT

Ø对通风机箱

WT=1.86（Ss+4St/3+2Sb/2）Δt1.25+4σεTm3ΔT+1000uAΔT

Ø对强迫通风机箱

WT=1.86（Ss+4St/3+2Sb/2）Δt1.25+4σεTm3ΔT+1000QfΔT

[案例]有一电子设备其总功耗为55W，其外形尺寸长、宽、高分别为400mm、300mm和250mm，外壳外表面的黑度为ε=0.96，外表面的温度为35℃，周围环境温度为25℃，设备内部的空气允许温度为40℃，设备的四个侧面及顶面参与散热，试进行自然冷却设计计算。

解:

xx机箱的最大散热量

QT=1.86（Ss+4St/3+2Sb/3）Δt1.25+4σεTm3F辐射Δt

＝1.86（1.4×0.25+0.4×0.3×4/3）×101.25+4×5.67×10-8×0.96×（0.4×0.3+1.4×0.25）×3083×10=16.87+29.9=46.78W

显然，xx机箱不能够满足散热要求，需开通风口。

通风机箱的通风面积计算

QT=1.86（Ss+4St/3+2Sb/2）Δt1.25+4σεTm3F辐射Δt+1000uSinΔt

55＝1.86（1.4×0.25+0.4×0.3×4/3）×101.25+4×5.67×10-8×0.96××（0.4×0.3+1.4×0.25）×3083×10＋1000×0.1×Sin×10

Sin=82.2cm

3、自然冷却时进风口面积的计算

在机柜的前面板上开各种形式的xx或百叶窗，以增加空气对流，进风口的面积大小按下式计算：

Sin=Q/（7.4×10-5H×Δt1.5）

s-通风口面积的大小，cm2

Q-机柜内总的散热量，W

H-机柜的高度，cm，约模块高度的1.5-1.8倍，

Δt=t2-t1－内部空气t2与外部空气温度t1之差，℃

出风口面积为进风口面积的1.5-2倍

4、强迫风冷出风口面积的计算

Ø模块

有风扇端的通风面积:

Sfan=0.785（φin2－φhub2）

无风扇端的通风面积S=（1.1-1.5）Sfan

Ø系统

在后面板（后门）上与模块层对应的位置开通风口，通风口的面积大小应为：

S＝（1.5-2.0）（N×S模块）

N---每层模块的总数

S模块---每一个模块的进风面积

[案例]铁道信号电源机柜模块及系统均为自然冷却，每层模块的散热量为360W，模块的高度为7U，进出口温差按20℃计算，机柜实际宽度为680mm，试计算每层进出风口的面积？

H按2倍模块的高度计算，即H=2×7U=14U

进风口的面积按下式计算：

Sin=Q/（7.4×10-5×H×△t1.5）

=360/（7.4×10-5×14×4.44×201.5）=875cm2

进风口高度h

机柜的宽度按B=680mm计，则进风口的高度为：

H=Sin/B=875/68=128.7mm