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电子产品的热设计

目录摘要……………………………………………………………………………………3 关键词…………………………………………………………………………………3 1 概述……………………………………………………………………………………3 1.1 热设计的目的 ………………………………………………………………………3 1.2 热设计的基板问题 …………………………………………………………………3 1.3 热设计的基本要求 …………………………………………………………………3 1.4 热设计应遵循的原则 ………………………………………………………………4 1.5 温度对电子元器件的影响 …………………………………………………………5 2 热设计的基本知识 …………………………………………………………………5 2.1 基本术语 ……………………………………………………………………………5 2.2 几种容易混淆的概念 ………………………………………………………………6 2.3 热量传递的基本方式 ……………………………………………………………… 7 2.4 热电模拟 ……………………………………………………………………………7 2.5 热网络方法 …………………………………………………………………………8 3 热设计的指标 ……………………………………………………………………8 4 热设计的基本步骤 …………………………………………………………………8 5电源系统(机柜)的热设计 …………………………………………………………9 5.1 模块自冷，机柜自冷 ………………………………………………………………9 5.2 模块风冷，机柜自冷 ………………………………………………………………10 6 模块的热设计 ……………………………………………………………………10 6.1 机箱的热设计 ………………………………………………………………………10 6.2 选择功率器件的热设计 ……………………………………………………………11 6.3 元器件布局时的热设计 ……………………………………………………………11 6.4 元器件安装的热设计 ………………………………………………………………12 6.5 印制板的热设计 ……………………………………………………………………13 6.6 安装PCB板的热设计 ……………………………………………………………14 6.7 风路设计 ……………………………………………………………………………14 6.8 确定冷却方式的原则 ………………………………………………………………14 第2页共24页

产品的热设计 6.9 功率器件的工作结温估算 …………………………………………………………15 7 风机的选择 …………………………………………………………………………15 7.1 附近的种类 …………………………………………………………………………15 7.2 选择风机需考虑的因素及原则 ……………………………………………………15 7.3 风机的串联 …………………………………………………………………………16 7.4 风机的并联 …………………………………………………………………………16 8 选择散热器的步骤 …………………………………………………………………16 9 散热器的选择及设计原则 …………………………………………………………16 9.1 通用散热器的选择及设计原则 ……………………………………………………16 9.2 冷板散热器的选择及设计原则 ……………………………………………………17 10 热性能测量 …………………………………………………………………………17 11 散热器的设计计算方法 ……………………………………………………………18 12 冷板的设计计算方法 ………………………………………………………………19 12.1 冷板的换热方程……………………………………………………………………19 12.2 冷板的换热系数……………………………………………………………………20 12.3 冷板的效率 ………………………………………………………………………20 12.4 冷板的设计计算……………………………………………………………………20 第3页共24页

摘要本教材讲述了产品热设计的基础理论知识、热设计的基本方法与步骤、热设计的规范等内容；提供了电源产品、电力传动产品(变频器)、数采及监控产品的热设计过程及方法；同时提供了通用散热器及冷板散热器的选择方法及设计计算方法；另外，还提供了风扇的选择方法及风扇串联、并联对其性能的影响分析。关键词：热设计基础知识方法与步骤案例分析 1 概述 1.1 热设计的目的为了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。 1.2 热设计的基本问题 1.2.1 耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度； 1.2.2 热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比； 1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数； 1.2.4 温度是衡量热设计有效性的重要参数； 1.2.5 所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求； 1.2.6 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决； 1.2.7 热设计中允许有较大的误差； 1.2.8 热设计应考虑的因素：包括尺寸及重量第4页共24页

产品的热设计功耗产品的经济性与所要求的元器件的失效率相应的温度极限电路布局工作环境 1.3 热设计的基本要求 1.3.1 热设计应满足产品的可靠性要求根据预期的热环境，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下；规定值由产品整体的可靠性指标分解得到。 1.3.2 热设计应满足产品预期工作的热环境要求，包括：环境温度及压力的极限值；环境温度及压力的变化率；允许的冷却方式。 1.3.3 热设计应满足对冷却系统的限制要求对强迫风冷产品的噪音及振动限制对冷却系统的结构限制(包括安装条件、密封、体积和重量) 1.3.4 热设计应符合与其有关的标准、规范规定的要求 1.4 遵循的原则 1.4.1热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾; 1.4.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准; 1.4.3 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中正常工作。 1.4.4 每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求； 1.4.4.1元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小； 1.4.4.2 根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。 1.4.4.3 在规定的使用期限内，冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低； 1.4.4.4 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及风速调节回路，以提高系统的可靠性及经济性。 1.4.4.5 在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免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。第5页共24页

1.4.4.6 热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。 1.4.4.7 冷却系统要便于测试与维护 1.4.4.8 采用强迫风冷的条件：在常压下，强迫风冷的散热极限为0.04-0.31w/cm2，小于 0.04w/cm2采用自然冷却，大于0.31须采用水冷或其它表面冷却。 1.5 温度对电子元器件的影响 1.5.1 温度对半导体器件的影响半导体器件的PN结的反向电流会随着结温的上升而增大，PN结的雪崩电压也会随着结温的升高而提高，这些严重影响半导体器件的稳定性，所以必须通过热设计控制半导体器件的结温，使其工作在稳定、安全的区域。此外，结温的升高会是晶体管的穿透电流和电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，使结温进一步升高。如此形成恶性循环，直至损坏。 1.5.2 温度对电阻的影响温度的变化对电阻值的大小有一定的影响，一般情况下，温度每升高10℃，其电阻之大小要变化1％。所以，各类电阻的使用环境温度都有一定的限制。 1.5.3 温度对电容的影响温度对电容的影响主要降低其使用寿命，一般情况下，在超过规定工作温度工作时，温度每升高10℃，其使用时间要下降一半，此外，温度的变化也会引起电容量、功率因素等参数的变化。所以，对各类电容的允许使用工作温度也作了规定。 1.5.4 温度对变压器、扼流圈的影响温度对两类元器件的影响除了降低其使用寿命外，绝缘材料的性能也下降。一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95 ℃。 2 热设计的基础知识 2.1基本术语 2.1.1 热环境设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况 2.1.2 热特性设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。 2.1.3 热阻第6页共24页

产品的热设计热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类 2.1.4 导热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、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃ 2.1.5 对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃ 2.1.6 流阻反映流体流过某一通道时所产生的压力差。单位帕斯卡或mm.H2O或巴 2.1.7 定性温度确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度 2.1.8 肋片的效率表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样条件下光壁所能传递的热量之比 2.1.9 黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。 2.1.10 雷诺数Re(Reynlods) 雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。 2.1.11普朗特数Pr(Prandtl) 普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。 2.1.12 格拉晓夫数Gr(Grashof) 格拉晓夫数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，表面流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。 2.1.13 努谢尔特数Nu(Nusseltl) 反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则。第7页共24页

2.1.14 传热单元数NTU 为无因次量，其数值反映了在给定条件下所需传热面积的大小，是一个反映冷板散热器综合技术经济性能的指标。 2.1.15 冷板的传热有效度E 衡量冷板散热器在传递热量方面接近于理想传热状况的程度，它定义为冷板散热器的实际传热量和理论传热量之比，为无因次量。 2.1.16 通风机的特性曲线指通风机在某一固定转速下工作，静压、效率和功率随风量变化的关系曲线。当风机的出风口完全被睹住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而风量达到增大。 2.1.17 系统的阻力特性曲线系统(或风道)的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压力随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。 2.1.18 通风机工作点系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线曲线的交点就是风机的工作点。 2.2 几种容易混淆的概念 2.2.1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温度的变化范围，它总是相对于不同时刻或同一时刻的另一介质，是一个相对概念。 2.2.2 层流与紊流(湍流) 层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，流动阻力小；紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，流动阻力大 2.2.5 风道的局部阻力与沿程阻力局部阻力指由于风道的截面积发生变化而引起的压力损失；沿程阻力指由于流体粘性而引起的压力损失 2.2.4 表征温度的方式表征介质温度的方式有三种：摄氏温度，绝对温度，华氏温度，它们的换算关系如下： TK＝273＋Tc, Tc=5(TF-32)/9 2.3 热量传递的基本方式及传热方程式第8页共24页

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