产品热设计基础.ppt

《产品热设计基础.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《产品热设计基础.ppt（83页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、产品热设计基础 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要内容主要内容l1.概述l2.热设计的基础知识l3.热电模拟方法l4.风扇知识l5.热设计的基本原则l6.热仿真知识简介l7.热设计验证方法主要内容主要内容l1.概述l2.热设计的基础知识l3.热电模拟方法l4.风扇知识l5.热设计的基本原则l6.热仿真知识简介l7.热设计验证方法为什么要进行热设计为什么要进行热设计l电子器件发热l功率密度越来越高l高温对电子产品的影响：-元器件损坏 -绝缘性能退化

2、-材料热老化 -低熔点焊缝开裂、焊点脱落l高温对元器件的影响：-电阻阻值变化 -电容寿命缩短 -变压器、扼流圈绝缘材料性能下降 -晶体管烧坏为什么要进行热设计为什么要进行热设计 热设计就是根据电子元器件的热特性和传热学的原理，采取各种结构措施控制电子设备的工作温度，使其在允许的温度范围之内。(Source:US Air Force Avionics Integrity Program)Figure 2:Major Causes of Electronics Failures 55%温度温度20%振动振动6%粉尘粉尘19%潮湿潮湿Figure 1:Junction Life Statistics

3、怎么进行热设计怎么进行热设计l理论分析 -较少问题可获得分析解 -定性分析l数值模拟 -获得数值解 -目前解决复杂传热问题的主要手段l测试热设计实施过程热设计实施过程产品规格定义和系统设计阶段产品正式开发阶段整机试装阶段初步热设计：散热方式选择、风道设计、指导单板布局详细热设计：详细风道设计、单板关键器件热分析和温度控制、散热器（风扇）的选择和分析热设计验证：解决遗留的、涉及面比较小的散热问题热设计方案判定标准热设计方案判定标准l公司的降额规范1.结温2.电磁元件的绕组及铁芯最高温度l安规要求：机箱表面温度限制等l采用的散热方式有较高的可靠性和经济性主要内容主要内容l1.概述l2.热设计基础知

4、识l3.热电模拟方法l4.风扇知识l5.热设计的基本原则l6.热仿真知识简介l7.热设计验证方法热设计基础知识热设计基础知识l传热三个途径 传导、对流和辐射 它们可以单独出现，也可以两种或三种同时出现热传导热传导l机理：传导是发生在两种直接接触的介质（固体，液体，气体）传导过程中，能量主要通过以下方式传递:自由电子运动（固体金属）分子晶格振动弹性波（一般固体和液体）分子不规则热运动（气体）热传导热传导l导热的基本方程（在一维稳态温度场下）QF导 t/=t/R导 -导热系数，W/m.K或W/m.;F导-垂直于导热方向的截面积，m2 T-温差，;-厚度(m)R导-导热热阻,/W；导热系数：导热系数

5、：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.。热传导热传导常用材料的导热系数常用材料的导热系数63140386120150220192导热系数导热系数(w/m.k)铁铁黄铜黄铜紫铜紫铜压铸铝压铸铝ACD12防锈铝防锈铝LF21纯铝纯铝铝合金铝合金6063材料材料272.10.033701-40.5350.71导热系数导热系数(w/m.k)氧化铍氧化铍空气空气氮化铝氮化铝陶瓷陶瓷导热绝导热绝缘材料缘材料硅脂硅脂三氧化三氧化二铝陶二铝陶瓷瓷云母云母材料材料热传导热传导l增强热传导的主要措施 -选用导热系数较大的材料（金属材料）制造热传导

6、零件；-最大限度地减少接触热阻（适当增大热传导零件间的接触面积和压力，在两接触面间涂导热硅脂或垫入软金属箔等）；-尽量缩短热传导路径，热传导路径中不应有绝热或隔热元件。Heat sinkHeat source对流对流l对流换热机理：对流换热是发生在有温差的固体表面和运动流体（气体或液体）间的换热过程，对流可以是自然和强迫对流。自然对流是由冷、热流体温度变化引起的流体内部密度差而产生的流动；强迫对流则是由外部方式（泵或风机）造成的流体内压力不同引起的流动。对流对流对流换热的基本方程 QF对t=t/R对 -对流换热系数，W/m2.K或/m2.;F对-有效对流换热面积，m2；T-温差，;R对流-对流

7、热阻,/W 对流换热系数：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.。对流对流l Laminar Flow 层流（流体分子的流线层流（流体分子的流线相互平行，互不交叉）相互平行，互不交叉）l Turbulent Flow 湍流（流体分子不规则湍流（流体分子不规则运动）运动）雷诺数雷诺数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。对流对流l估计的对流换热系数 -自然对流（空气）5 W/m2K -强制对流（空气）25 W/m2K

8、 -强制对流（水）15,000 W/m2K -蒸发 200,000 W/m2K对流对流l自然对流optimal对流对流l自然对流，散热器方向gravity对流对流l强制对流风扇特性曲线最佳工作区高流阻高流阻低流阻低流阻对流对流l表观面积与有效散热面积 q=hA(Ths-Tair)Heat flowLow efficiencyT_fin=T_air对流对流l影响对流换热的因素 -流体的物理性质（流体的导热系数、比热容、密度和动力粘度等）；-换热表面的形状、大小和位置。l增强对流换热的主要措施-加大温差，降低散热物体周围对流介质的温度；-加大散热面积，采取有利于对流散热的形状和安装位置；-加大对流

9、介质的流动速度，以带走更多的热量（强迫对流比自然对流的对流表面传热系数大）；-选用有利于增强对流换热的流体作为介质（液体比气体的对流换热能力强）；-破环边界层。热辐射热辐射l辐射是发生在两种没有直接接触的表面,能量通过电磁波传递。电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态发生改变时激发出来的，所有物体大于0 K均发生热辐射l特点：不需要介质热辐射热辐射l几乎所有热辐射发生在红外波长范围(0.1 to 100微米)l能量传递率与物体表面状况及相关物体之间的角系数有关 Q5.6710-812f12F辐射(T14-T24)12-系统黑度，121/(1/1+1/2-1)1，2-分别为物体1和物体2的黑度;f

10、12-角系数 F辐射-物体的辐射面积，m2;T1,T2-分别为物体1和物体2的绝对温度，Kl黑度黑度：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。热辐射热辐射l增强辐射散热的主要措施-在零部件或散热片上涂覆黑色粗糙的漆，增大其辐射系数，从而增强辐射能力；热敏感元件的表面应做成光亮的表面，减小其辐射系数，从而减小吸收辐射热量；-加大辐射体的表面积；-设法降低设备周围的温度，加大辐射体与周围环境的温差。主要内容主要内容l1.概述l2.热设计的基础知识l3.热电模拟方法l4.风扇知识l5.热设计的基本原则l6.热仿真知识简介l7.热设计验证方法热电模拟

11、法热电模拟法l热电模拟法热电模拟法：用电气工程师熟悉的电路网络表示方法来处理热设计问题，将热流量(功耗)模拟成电流；温差模拟成电压(或电位差)；热阻模拟成电阻，热导模拟成电导；热容模拟成电容。温度(温差)是引起热流量传递的“电位”；恒温热源等效于理想的恒压源；恒定的热流源等效于理想的电流源。热沉等效于“接地”或“地线”，所有的热源和热回路均与其相连，形成热电模拟网络，导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理l热阻：热阻：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。热电模拟法

12、热电模拟法l导热热阻导热热阻：R导=/(F)l对流热阻：对流热阻：R对=1/（对F）l辐射热阻辐射热阻 R辐=1/（辐F）FF热电模拟法热电模拟法电阻的并联：1/R=1/R1+1/R2+.热阻的并联：1/Rth=1/Rth1+1/Rth2+.电阻的串联：R=R1+R2+.热阻的串联：Rth=Rth1+Rth2+.电容 C(法)热容 CmCp(cal/)电阻 RI/Vab(欧姆)热阻 Rth=T/P(/W)电压 VabVa-Vb(V)温差 T=T2-T1()电流 I(A)热流 P(W)电路电路热路热路热电模拟法热电模拟法l热路及热网络的案例分析 热阻串联 热阻并联 热电模拟法热电模拟法l元器件的

13、散热途径热电模拟法热电模拟法l功率器件的结温计算-如果已知道散热器基板温度Ts,器件结壳热阻Rth(j-c)由器件承认书查取，则器件的工作结温为：Tj=Ts+PT(Rth(j-c)+Rth(c-s)-如果已知器件芯片到环境的热阻Rth(j-a)，环境温度，则器件的工作结温为：Tj=Ta+PTRth(j-a)主要内容主要内容l1.概述l2.热设计的基础知识l3.热电模拟方法l4.风扇知识l5.热设计的基本原则l6.热仿真知识简介l7.热设计验证方法风扇的基本知识风扇的基本知识l风扇的种类 -按工作类型分：有轴流风扇和离心风扇、混流风扇三类。轴流风机：风量大，压头小，噪音小 离心式风机：风压较高，

14、一般适应于 阻力较大的发热元器件或机柜冷却 -按轴承类别分：有滚动轴承及含油轴 承(轴瓦轴承)两类，由于含油轴承的使 用寿命比滚动轴承低的多，一般电子 设备均采用滚动轴承。-按输入电源类型分：有直流风扇和交 流风扇两大类。风扇的基本知识风扇的基本知识l吹风与抽风方式的选择原则l优先采用吹风方式，吹风有如下优点：-风量相对较集中，可以以较大的风速针对局部区域进行集中冷却 -能够有效防止风扇马达过热，提高风扇的使用寿命。-可以以较大的压力迫使灰尘不能够在机箱内聚积，而通过出风口或缝隙流出。l只有在以下情况下才选择抽风：-希望流场规则；各部分风量比较均匀，适用于热量分散的整机或机箱。-进风口无法安装

15、风扇。-不希望风扇马达加热空气而对后面的元器件产生影响。-不希望热风吹到客户。风扇的基本知识风扇的基本知识l通风机的特性曲线通风机的特性曲线：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。l系统的阻力特性曲线系统的阻力特性曲线：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。l通风机工作点通风机工作点：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。l风道的局部阻力与沿程风道的局部阻力与沿程 阻力阻力：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。风扇的基本知识风扇的基本知

16、识轴流风扇轴流风扇后弯式离心风扇后弯式离心风扇前弯式离心风扇前弯式离心风扇风扇的基本知识风扇的基本知识 l风扇的串联与并联 串联 Q=Q1=Q2 并联 Q=Q1+Q2 P=P1+P2 P=P1=P2风扇的基本知识风扇的基本知识l海拔高度对风扇性能的影响 -由于体积流量只与风扇的转速成正比，所以，体积流量体积流量体积流量体积流量不受海拔高度的影响。-由于质量流量正比于空气的密度，而空气的密度随海拔高度的升高而逐渐降低，所以质量流量质量流量质量流量质量流量也会随海拔高度的升高而逐渐降低。-由于压力正比于空气的密度，而空气的密度随海拔高度的升高而逐渐降低，所以压力压力压力压力也会随海拔高度的升高而逐

17、渐降低。(P0)altitude=(P0)Sea Level(raltitude/rSea Level)风扇的基本知识风扇的基本知识l海拔高度对风扇曲线的影响QDPHigh AltitudeCurveSea Level Curve风扇的基本知识风扇的基本知识l海拔高度对系统阻力曲线的影响 QHigh AltitudeCurveSea Level Curve风扇的基本知识风扇的基本知识l如何修正海拔高度对散热的影响？DT altitudeMultiplier DT Sea Level海拔高度（m）算子0（海平面）110001.1115001.1420001.16625001.2风扇的基本知识风扇

18、的基本知识l风扇的安装原则 -设备中最大损耗的元器件应靠近出风口。-保证进风口或出风口面积大于风扇的通风面积。-保证空气流通并能够以较大的风速流过较热的区域。-避免在两个热点之间用一个小风扇来冷却。-温度敏感的元器件应尽量靠近风道入口。-尽可能采用吹风以防止灰尘聚积。-尽可能采用空隙率较大的防尘网以减小阻力。-保证风扇工作的风扇曲线的安全区，严禁风扇工作在曲线的拐点附近。-对吹风的情况，为了避免风扇的SWIRL的影响，风扇与最近的障碍物间至少保证一个风扇的距离。风扇的基本知识风扇的基本知识l风扇的安装原则风扇的基本知识风扇的基本知识l风扇的安装原则：风扇安装在系统中，由于结构限制，进风口和出风

19、口常常会受到各种阻挡，其性能曲线会发生变化，如图所示。由图中可以看出，风扇的进出风口最好与阻挡物有40mm的距离，如果有空间限制，也应至少有一个风扇的厚度。主要内容主要内容l1.概述l2.热设计的基础知识l3.热电模拟方法l4.风扇知识l5.热设计的基本原则l6.热仿真知识简介l7.热设计验证方法热设计的基本原则热设计的基本原则l功率器件的选择原则 -在其它性能参数相同的情况下，应优先选用允许结温Tj高的功率器件（根据供应商手册提供的数据进行筛选）；在其它性能参数相同的情况下，应优先选用结壳热阻Rjc较小的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）。-在其它性能参数相同的情况下，应优先选用传

20、热面较大的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）,以减小功率器件与散热器间的接触热阻Rcs。热设计的基本原则热设计的基本原则lPCB的热设计的基本准则l一一：加散热铜箔和采用大面积电源地铜箔，以加大PCB的散热面积l二：散热焊盘由过孔连接到内层夹心层进行散热和热平衡l三：增大散热面积及对流l四：CTE(热膨胀系数)的补偿：利用弹性材料和焊点作缓冲，减小CTE失配带来的影响；选用有引脚器件。l五：焊盘的隔热设计(在过波峰焊或回流焊时由于散热太快容易造成焊接不良)热设计的基本原则热设计的基本原则lPCB布局1.应将不耐热的元件(如电解电容器)放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又耐热的元件(

21、如电阻,变压器等)放在靠近出风口的位置。2.应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的位置。3.当元器件的发热密度超过0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热，应采用辅助散热措施。4.发热元器件与周围器件之间保证足够的距离5.采用短通路，元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散热措施。6.风道顺畅7.对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道。热设计的基本原则热设计的基本原则l减小接触热阻措施1.尽可能增大接触面积；2.确保接触表面平滑；3.为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用的导热介质有导

22、热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。4.把器件装配在散热器上时，应严格按照数据手册中提供的安装压力或力矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件。热设计的基本原则热设计的基本原则l风道的设计原则风道的设计原则1.风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；2.尽可能采用直的风道，直管加工容易，局部阻力小；3.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，截面形状可为圆形，也可以是正方形或长方形；4.底板、隔热板、屏蔽板、印制板的位置应以不要阻碍或阻断气流为原则热设计的基本原则热设计的基本原则l自然对流风路设计1.功能单元(模块)布局

23、应考虑机柜的风路设计要求,对直齿型散热器,应保证散热器的齿槽垂直于水平面,有利于形成“烟囱”效应。2.机箱内元器件布置应较稀疏，有利于空气流通。3.进出风口的高度差尽可能大。4.自然冷却条件下，对设备内有多块PCB板时，应与进风方向平行并列安装，每块PCB板间的间距应大于30mm热设计的基本原则热设计的基本原则l强迫对流风路设计1.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；2.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，或加导风装置，以使风能有效的流到关键发热器件；3.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

24、内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器；4.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。热设计的基本原则热设计的基本原则l型材（铸铝）散热器的选择及设计原则1.材质的选择：散热器材料应具有较高的导热系数，一般推荐使用 浇铸或压铸散热器：铸铝 =120W/m.k 铝型材散热器：6063（LD31）=180W/m.k 特殊条件下：紫铜 =380W/m.k 2.散热器安装器件的表面光洁度Ra5 样品的任何表面与实验箱壁面距离大于20cm 实验箱采用强迫对流循环时，要求箱内风速小于0.5m/sl测试项目：机箱内环境温度 机箱表面温度（自然对流要求

25、）关键元器件和发热元器件的表面温升 散热器、冷板的热点温升 冷却空气进口温度和出口温升热设计的验证方法热设计的验证方法l温度测试l测点的布置方法（一）元器件测点布置原则：将测点布置在温度最高或较高的热点位置，这些点常常是在距器件内部热源最近或者散热条件最为恶劣的位置。扁平封装的集成芯片：发热平面的几何中心点 半导体功率晶体管管壳温度：布置在距离芯片最近的热点位置上 功率电阻器：竖直放置的，2/3高度位置；水平放置的，布置在中间位置 电容表面温度：金膜电容引脚与电容体连接部位 电解电容最好将顶部塑料膜打开，测试铝壳温度。热设计的验证方法热设计的验证方法l温度测试l测试点的布置方法（二）电磁元件：

26、布置在散热通道气流下游背风位置，而且应该分别测试绕组和磁芯温度，以便得出铜损和铁损的参考值。测点最好布置在绕组和磁芯内部。如不能实现，则在表面散热条件比较差的位置布置测点，测量结果再加上10度的经验值(根据损耗变化)温度临界或对温度敏感的元器件表面温度：在元器件表面热点附近布置两个测点，取温度最大值 散热器：布置在散热器基板上对应于元器件发热中心的位置，不能布置在散热器翅片上 环境温度：自然对流 距各主要表面80mm处 强制对流 距新空气进口处80-200mm处热设计的验证方法热设计的验证方法l温度测试l测试仪器：热电偶、玻璃温度计、示温蜡片和示温漆、热敏电阻、光学温度计、红外扫描系统 热电偶

27、：两种不同成份的导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。光学温度计和红外扫描仪：根据红外辐射能量测温。它要求知道被测表面的发射率，而且被测面必须可见，这限制了它们的使用 热设计的验证方法热设计的验证方法l温度测试l热电偶分度号：主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。K型热电偶：镍铬-镍硅热电偶 镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。J型热电偶：铁-铜镍热电偶（J型热

28、电偶）又称铁-康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。T型热电偶：铜-铜镍热电偶又称铜-康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。热设计的验证方法热设计的验证方法l温度测试l常用热电偶测温范围和精度热设计的验证方法热设计的验证方法l风速测试l空气流速测量内容：(1)风道入口空气流速；(2)风道出口空气流速；(3)主要单板间和空槽位处的风速 l空气流速测量仪器：通常使用的风速计有风轮风速仪、热线（球）风速仪以及皮托管差压计热设计的验证方法热设计的验证方法l流体压力测试l流体压力的分类：当流体在管道中流动时，能够测到三种压1)静压，(2)动压，(3)总压，一般只需测试出其中的两种第

29、三种可通过下面的公式下式计算出来：总压静压动压 动压：相对于流动速度的压力，是流体动能的一种量度。静压：存在于流体中的压缩压力，是流体位能的一种量度。静压存在于静止或运动的流体中，它能够使流体流动，并使它克服阻力。总压：动压与静压之和，是流体总能量的一种量度。热设计的验证方法热设计的验证方法l压力测试方法l总压可以用一个简单的皮托管就可测得，如图所示热设计的验证方法热设计的验证方法l静压测量方法热设计的验证方法热设计的验证方法l动压测量方法：测量总压与静压之差热设计的验证方法热设计的验证方法l测试风洞（流量、流阻测量）热设计的验证方法热设计的验证方法l测试风洞原理图整流网、蜂窝板喷嘴组测流量静压测量被测件安装Q&A 谢谢大家！