产品热设计基础.pptx
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1、主要内容1.概述2.热设计的基础知识3.热电模拟方法4.风扇知识5.热设计的基本原则6.热仿真知识简介7.热设计验证方法第1页/共83页主要内容1.概述2.热设计的基础知识3.热电模拟方法4.风扇知识5.热设计的基本原则6.热仿真知识简介7.热设计验证方法第2页/共83页为什么要进行热设计电子器件发热功率密度越来越高高温对电子产品的影响:-元器件损坏 -绝缘性能退化 -材料热老化 -低熔点焊缝开裂、焊点脱落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 -晶体管烧坏第3页/共83页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
2、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20%振动6%粉尘19%潮湿Figure 1:Junction Life Statistics第4页/共83页怎么进行热设计理论分析 -较少问题可获得分析解 -定性分析数值模拟 -获得数值解 -目前解决复杂传热问题的主要手段测试第5页/共83页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
3、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第6页/共83页热设计方案判定标准公司的降额规范l结温l电磁元件的绕组及铁芯最高温度安规要求:机箱表面温度限制等采用的散热方式有较高的可靠性和经济性第7页/共83页主要内容1.概述2.热设计基础知识3.热电模拟方法4.风扇知识5.热设计的基本原则6.热仿真知识简介7.热设计验证方法第8页/共83页热设计基础知识传热三个途径 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第9页/共83页热传导机理:传导是发生在两种直接接触的介质(固体,液体
4、,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)第10页/共83页热传导导热的基本方程(在一维稳态温度场下)QF导 t/=t/R导 -导热系数,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: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,单位为或W/m.。第11页/共83页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(w/m.k)铁黄铜紫铜压铸铝ACD12防锈铝LF21纯铝铝合金6
5、063材料272.10.033701-40.5350.71导热系数(w/m.k)氧化铍空气氮化铝陶瓷导热绝缘材料硅脂三氧化二铝陶瓷云母材料第12页/共83页热传导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第13页/共83页对流对流换热机理: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
6、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。第14页/共83页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-对流热阻,/W 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.。第15页/共83页对流 Laminar Flow 层流(流体分子的流线相互平行,互不交叉)Turbulent Flow 湍流(流体分子不规则运动)雷诺数Re(Reynlods):雷诺数的大小
7、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。第16页/共83页对流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 -强制对流(水)15,000 W/m2K -蒸发 200,000 W/m2K第17页/共83页对流自然对流optimal第18页/共83页对流自然对流,散热器方向gravity第19页/共83页对流强制对流风扇特性曲线最佳工作区高流阻低流阻第20页/共83页对流表观面积与有效散热面积 q=hA(Ths-Tair)Heat flowLow efficiencyT_fin=T_air第21页/共83页对流影响
8、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。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。第22页/共83页热辐射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均发生热辐射特点:不需要介质第23页/共83页热
9、辐射几乎所有热辐射发生在红外波长范围(0.1 to 100微米)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;f12-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,K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。第24页/共83页热辐射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
10、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。第25页/共83页主要内容1.概述2.热设计的基础知识3.热电模拟方法4.风扇知识5.热设计的基本原则6.热仿真知识简介7.热设计验证方法第26页/共83页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,
11、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。第27页/共83页热电模拟法导热热阻:R导=/(F)对流热阻:R对=1/(对F)辐射热阻 R辐=1/(辐F)FF第28页/共83页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
12、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)电路热路第29页/共83页热电模拟法热路及热网络的案例分析 热阻串联 热阻并联 第30页/共83页热电模拟法元器件的散热途径第31页/共83页热电模拟法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)第32页/共83页主要内容1.概述2.热设计的基础知识3.
13、热电模拟方法4.风扇知识5.热设计的基本原则6.热仿真知识简介7.热设计验证方法第33页/共83页风扇的基本知识风扇的种类 -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,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。第34页/共83页风扇的基本知识吹风与抽风方式的选择原则优先采用吹风方式,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
14、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。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。第35页/共83页风扇的基本知识通风机的特性曲线: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。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。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
15、。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。第36页/共83页风扇的基本知识轴流风扇后弯式离心风扇前弯式离心风扇第37页/共83页风扇的基本知识 风扇的串联与并联 串联 Q=Q1=Q2 并联 Q=Q1+Q2 P=P1+P2 P=P1=P2第38页/共83页风扇的基本知识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也会随海拔高度的升高而逐渐降低。-由于压力正比于
16、空气的密度,而空气的密度随海拔高度的升高而逐渐降低,所以压压力力也会随海拔高度的升高而逐渐降低。(P0)altitude=(P0)Sea Level(raltitude/rSea Level)第39页/共83页风扇的基本知识海拔高度对风扇曲线的影响QDPHigh AltitudeCurveSea Level Curve第40页/共83页风扇的基本知识海拔高度对系统阻力曲线的影响 QHigh AltitudeCurveSea Level Curve第41页/共83页风扇的基本知识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
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