热设计基础大全与flotherm热仿真课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,热设计基础大全,热设计基础大全,1,目录,热设计的基础概念,传导、对流、辐射,散热方式的选择,1,2,3,自然对流散热和强制对流散热,4,FLOTHERM,简介,5,目录热设计的基础概念传导、对流、辐射散热方式的选择123自然,2,电子设备的发展趋势,1.,热耗上升化,2.,设备小巧化,3.,环境多样化,电子设备的发展趋势1. 热耗上升化2. 设备小巧化3. 环境,3,过热,-,电子产品故障的首要原因,(,Source : US Air Force Avionics Integrity Program),Figure 2: Major Causes of Electronics Failures,图2：电子产品故障主要原因,资料来源：美国空军航空电子整体研究项目,55%温度,20%振动,6%粉尘,19%潮湿,Figure 1 : Junction Life Statistics,(,Source : GEC Research),图,1,：结点寿命统计,故障率（10万小时）,资料来源：,GEC,研究院,发热问题被确认为电子设备结构设计所面临的三大问题之一(强度与振动、散热、电磁兼容,),过热-电子产品故障的首要原因(Source : US Air,4,热设计的基本要求,满足设备可靠性的要求,满足设备预期工作的热环境的要求,满足对冷却系统的限制要求,热设计工程师,与,EE, ME, Layout,等项目相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能并降低成本,热设计的基本要求满足设备可靠性的要求热设计工程师 与E,5,热设计的基础,概念,问题：热的单位是什么？,是,？,热,是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在热能。热能的单位用,“J”,（焦耳）表示。,1J,能量能在,1N,力的作用下使物体移动,1m,，使,1g,的水温度升高,0.24,。,1J=1Nm,热设计的基础概念问题：热的单位是什么？ 热是能量的,6,热设计的基础概念,设备,会持续发热。像这样，热量连续不断流动时,，用,“,每秒的热能量,”,来表示会更容易理解。单位为,“J/s”,。,J/s,也可用,“W”,（瓦特）表示。,热设计的基础概念 设备会持续发热。像这样，热量,7,热设计的基础概念,100J,的能量可使,100g,水的温度升高约,0.24,。这并不是通过升高水的温度消耗了,100J,的能量。而是在水中作为热能保存了起来。,能,量,既不会凭空消失，也绝不会凭空产生。这就是最重要,“,能量守恒定律,”,。,是温度单位。温度是指像能量密度一样的物理量。它只不过是根据能量的多少表现出来的一种现象。即使能量相同，如果集中在一个狭窄的空间内，温度就会升高，而大范围分散时，温度就会降低。,热设计的基础概念 100J的能量可使100g水的,8,热设计的基础概念,电子产品,接通电源后一段时间内，多半转换的热能会被用于提高装置自身的温度，而排出的能量仅为少数。之后，装置温度升高一定程度时，输入的能量与排除的能量必定一致。否则温度便会无止境上升。,热设计的基础概念 电子产品接通电源后一段时间内,9,热设计的基础概念,很多人,会认为，,“,热设计是指设计一种可避免发热并能使其从世界上消失的机构,”,。,就像前面指出的那样，说是,“,发热,”,，但并非凭空突然产生热能。说是,“,冷却,”,，但也并不是热能完全消失。,如,下,图,所示,热设计是指设计一种,“,将,W,的能量完全向外部转移的机构,”,，其结果是可达到,“,以下,”,。大家首先要有一个正确的认识！ 。,热设计的基础概念 很多人会认为，“热设计是指设计一,10,热传导,傅立叶导热,定律：,A,为垂直于热流方向的截面积；,为材料的导热系数，单位,W/(mK),，它是表征材料导热能力优劣的物性参数。,导热系数,是指在稳定传热条件下，,1m,厚的材料，两侧表面的温差为,1,度（,K,C,）,在,1,秒内，通过,1,平方米面积传递的热量，单位为瓦,/,米,度（,W/mK,此处的,K,可用,C,代替）,。,它是表征材料导热能力优劣的物性,参数。在,30,C,时，空气的导热系数为,0.027,W/m,C,，因此可以利用空气夹层来绝热，通常把导热系数小于,0.23,W/m C,的材料称为绝热材料。,热流量,是指单位时间内通过某一给定面积的热量，单位为,W,。,热传导傅立叶导热定律： A为垂直于热流方向的截面积；,11,热传导,热传导,12,热传导,定义热流密度：,对傅立叶定律在一维导热条件下积分，可得：,由此可得导热热阻计算公式为：,热流密度,是指单位时间内通过单位面积的热流量成为,热流密度,。,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,。用,热,功耗,乘,以,热阻,，即可获得该传热路径上的,温升,。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。,热传导定义热流密度： 对傅立叶定律在一维导热条件下积分,13,热传导,热阻,Rja,：芯片的热源结（,junction,）到周围冷却空气（,ambient,）的总,热,阻，乘,以其发热量即获得器件温升,。,热阻,Rjc,：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与,壳的,温差,。,热阻,Rjb,：芯片的结与,PCB,板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结,与单板间的温差。,热传导热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却,14,热传导,单层平壁导热,多层平壁导热,单层圆筒壁导热,多层圆筒壁导热,热传导单层平壁导热多层平壁导热单层圆筒壁导热多层圆筒壁导热,15,热传导,接触热阻,热传导接触热阻,16,导热介质,导热介质,17,导热介质,-,导热脂,常由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如硅油），并加有稳 定剂和改性添加剂调配而成的均匀膏状物质，常用的导热脂为白色，也 有灰色或金色的导热脂等颜色。导热颗粒通常采用氧化锌、氧化铝、,氮化硼,、 氧化银、银粉、铜粉等。,1,）为最常见的界面导热,材料,，,常,采用印刷或点涂方式进行施加。,2,),用于散热器和器件之间，散热器采用机械固持，最主要的优点为维修方便,价格,便宜。,3,）因可以很好的润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很小， 适合大功率器件的散热。,4,）使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。,特点：,导热介质-导热脂常由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如,18,导热介质,-,导热脂,导热介质-导热脂,19,导热介质,-,导热脂,导热介质-导热脂,20,导热介质,-,导热脂,我公司现有导热硅脂,其他一些常用导热硅脂,供应商,型号,我司编码,导热系数,(W/mk),工作温度（摄氏度）,北京美宝,T-50,1040100171,0.785,-60200,导热介质-导热脂我公司现有导热硅脂其他一些常用导热硅脂供应商,21,导热介质,-,导热胶,特点：,导热介质-导热胶特点：,22,导热介质,-,导热胶,导热介质-导热胶,23,导热介质,-,导热胶,315,导热胶的使用,方法,：,1,、首先用酒精擦拭芯片和散热器粘接面；晾干（约,1min,后即可）,2,、采用,0.12mm,的导热胶印刷工装，涂胶方式推荐为固化水涂在散热器上，导热胶涂在芯片表面。,3,、采用干净的毛刷在散热器上刷涂固化水，不超过,2,滴，使粘结面有润湿的痕迹即可,.,然后待固化 水挥发,15s1min,后（不能超过,30min,），组装上散热器。,4,、采用,5-10N,的压力，从中间均匀挤压散热器，以使胶层均匀分布，实现良好的粘结层；,5,、固化时，采用压块工装施加约,1psi,的压强，以控制胶层的厚度在,0.15mm,以下；,6,、一般情况下，,40min,后，,315,胶的粘接强度可达到完全固化的,80,；,24h,后，,315,胶可完全固化。,导热介质-导热胶315导热胶的使用方法：,24,导热介质,-,导热垫,主要,应用及特点,：,主要,用于当半导体器件与散热表面之间有较大间隙需要填,充,用于,几,个芯片要同时要共用散热器或散热底盘时，但间隙不 一样的,场合,用于,加工,公差加大的场合，表面粗糙度较大的场合,。,由于,导热垫的弹性，使导热垫能减振，防止冲击，且 便于安装和拆卸。,导热介质-导热垫主要应用及特点：,25,导热介质,-,导热垫,导热介质-导热垫,26,导热介质,-,导热垫,对导热垫的性能要求和主要检测项目,：,1,）导热系数和热阻：热性能满足要求,2,）硬度：优先选用硬度较低的材料,3,）绝缘性能：要求耐压满足产品需求（一般,3KV,）,4,）阻燃：要求材料阻燃级别达到,V1,及以上,供应商,型号,我司编码,导热系数,(W/mk),尺寸,奥川科技,SPE2-40-BK,1040100029,1.2,4m,厚,;30.5mm30.5mm;,黑色,奥川科技,SPE2-25-BK,1040100030,1.2,2.5mm,厚,;23.5mm17.5mm,；黑色,奥川科技,SPE2-10-BK,1040100031,1.2,1mm,厚,;13mm18mm;,黑色,润和科技,K1000,1081201032,1,1mm,厚；,200mm*400mm,，硬度邵氏,15-50,，灰黑色,我公司现有的导热硅胶垫,：,导热介质-导热垫对导热垫的性能要求和主要检测项目：供应商型号,27,导热介质,-,相变导热膜,导热介质-相变导热膜,28,导热介质,-,相变导热膜,导热介质-相变导热膜,29,导热介质,-,导热垫,导热介质-导热垫,30,导热介质,-,导热双面胶带,导热介质-导热双面胶带,31,导热介质,-,导热双面胶带,导热介质-导热双面胶带,32,对流换热,牛顿冷却公式：,其中,为对流换热系数，单位,W/(m2K),，表征了换热表面的平均对流换热能力。,A,为参与热交换的有效面积，,T,为表面温度与流体温度之差。,由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：,自然对流换热系数在,110W,/(m2K,),量级，实际应用时一般不会超过,35,W,/(m2K),；强制对流换热系数在,10100,W/(m2K),量级，实际应用时一般不会超过,30,W/(m2K),。,对流换热牛顿冷却公式：其中为对流换热系数，单位W/(m2,33,几个准则数的计算公式及物理意义：,努塞,尔数：,雷诺数：,普朗特数：,格拉晓夫数：,L,特征尺寸，,m,；,u,流体速度，,m/s,；,cp,比热容，,kJ/(kgK),；,动力粘度，,Pas,；,导热系数，,W/(mK),；,V,体膨胀系数，,1,；,g ,重力加速度，,m/s2,；,T,流体与壁面的温差。,是流体力学中的一个无量纲数,，是,表示对流换热强烈程度的一个准,数,又,表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比,雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数,。,典型雷诺数：,普通,航空飞机：,5 000 000,小型无人机：,400 000,海鸥：,100 000,滑翔蝴蝶：,7000,圆形光滑管道：,2320,大脑,中的血液流 ：,100,主动脉中的血流,1000,普朗特数是由流体物性参数组成的一个无因,次数，表明,温度边界层和流动边界层的关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响。,它反映自然对流程度的特征数。 当格拉晓夫数相当大，约,Gr10E9,时，自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为紊流状态 。所以格拉晓夫数,Gr,在自然对流过程中的作用相当于雷诺数,Re,在受迫对流过程中的作用，其大小能确定边界层的流动状态。,几个准则数的计算公式及物理意义：努塞尔数： 雷诺数：普朗特数,34,热辐射,任意物体的辐射能力可用下式计算,镜体,是指反射比,=1,的物体。,绝对透明体,是指穿透比,=1,的,物体。,绝对黑体,是指吸收比,=1,的物体。,黑度,：,在一定温度下，将灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比定义为物体的黑度，或物体的发射率，用,表示。,热辐射任意物体的辐射能力可用下式计算镜体是指反射比=1的物,35,热辐射,物体表面的辐射计算是及其复杂的，其中最简单的是两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式：,热辐射物体表面的辐射计算是及其复杂的，其中最简单的是两个面积,36,热辐射,热辐射,37,电子设备冷却方法的选择,温升为,40,时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值,电子设备冷却方法的选择温升为40时，各种冷却方法的热流密度,38,电子设备冷却方法的选择,冷却方法可根据热流密度和温升要求，按照下图关系进行选择。这种方法适用于温升要求不同的各类设备,由此图可知，当元件表面与环境之间的允许温差,T,为,60,时，空气的自然对流（包括辐射）仅对热流密度低于,0.05W/cm,2,时有效,。强迫风冷可使表面对流换热系数大约提高一个数量级，如在允许温差为,100,时，风冷最大可能提供,1W/cm,2,的传热能力。,电子设备冷却方法的选择冷却方法可根据热流密度和温升要求，按照,39,电子设备冷却方法的选择,电子设备中常用的冷却方法能够达到的对流换热系数及表面热流密度值如下表所示：,电子设备冷却方法的选择电子设备中常用的冷却方法能够达到的对流,40,电子设备冷却方法的选择,设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径。,利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。热辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。,大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。自然对流冷却表面的热流密度为,0.039W/cm,2,。有些高温元器件的热流密度可高达,0.078,W/cm,2,。,强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。,热管的传热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端的温差很小。应用热管时，主要问题是如何减小热管两端接触界面上的热阻。,电子设备冷却方法的选择设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷,41,电子设备冷却方法的选择,电子设备冷却方法的选择,42,电子设备自然冷却,为了说明机壳结构对电子设备温度的影响，可以通过下图所示的试验装置的试验加以说明。其中热源为,80W,，位于试验装置的中心位置，机壳用各种不同结构形式的铝板制成，进行任意组合，可满足不同结构形式的需要，试验装置,404,*,304,*,324mm,。,电子设备自然冷却为了说明机壳结构对电子设备温度的影响，可以通,43,热设计基础大全与flotherm热仿真课件,44,电子设备自然冷却,密封机箱所有表面所散发的热量在工程上可以近似用下面的公式来估算：,式中：,密封机箱温升的推算和散热限度：,电子设备自然冷却密封机箱所有表面所散发的热量在工程上可以近似,45,电子设备自然冷却,密封机箱的散热量取决于其表面积，若要求机箱的温度保持在一定范围内，对给定的机箱表面积，其所能散热的热量是有限度的。,机,箱表面积与散热限度的关系如下图,：,电子设备自然冷却密封机箱的散热量取决于其表面积，若要求机箱的,46,电子设备自然冷却,电子设备自然冷却,47,电子设备自然冷却,自然散热的通风机箱主要经由机箱表面散热和自然通风带走热量两种方式来进行散热：,式中：,通风机箱温升的推算和散热限度,：,通风机箱的散热受到机箱表面积和通风孔面积的限制。,500mmX500mmX200mm,和,300mmX300mmX100m,两种表面积的机箱的通风孔面积与散热量之间的关系如下图所示：,电子设备自然冷却自然散热的通风机箱主要经由机箱表面散热和自然,48,电子设备自然冷却,当内部发热量与所要求的温升值是确定的，则可由上图估算出这时所必须的通风孔面积。若超出了这一限度，就要采用强迫风冷方式。,电子设备自然冷却当内部发热量与所要求的温升值是确定的，则可由,49,电子设备自然冷却,-,散热器选择,自然冷却散热器的设计要点,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,。,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,。,电子设备自然冷却-散热器选择自然冷却散热器的设计要点考虑到自,50,电子设备自然冷却,-,散热器选择,自然冷却散热器的设计要点,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,3mm,以上。散热器基板厚度对散热器的热容量及散热器 热阻有影响，太薄热容量太小，太厚热阻,反而,增加,，,上图,表示,出了基板厚度的最,佳,范围。对分散式散热来将，基板厚度一般为,3-6mm,为最佳,。,一定的冷却体积及流向长度下，,按,下表,确定,散热器齿片最佳间距的大小,冷却条件,流向长度,(mm),75,150,225,300,自然冷却,6.5,7.5,10,13,电子设备自然冷却-散热器选择自然冷却散热器的设计要点由于自然,51,电子设备自然冷却,机箱辐射换热的考虑,对于自然冷却的机箱，大部分需承担散热器的功能，其表面温升一般较高，约,25-40,，其表面的辐射换热量在整个机箱的散热量中占有较大的比重，有些甚至成为主要的散热途径，所以，在进行机箱的散热计算时，不能忽略辐射换热,，可,按下式进行计算：,Q,辐射,4,S,(T,s,4,-T,a,4,),S,机箱的有效面积，,m,2,斯波尔兹曼常数，为,5.67,10,-8,W/m,2,.K,-,辐射系数,Ts-,机箱的表面温度，,K,T,a,环境温度，,K,必须牢记，电子设备由于温度不是太高，辐射波长相当长，处于不可见的红外区。而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好的吸收体， 所以在考虑机箱的辐射换热时，必须同时考虑机箱表面辐射吸收的热量及机箱表面辐射散出的热量。,电子设备自然冷却机箱辐射换热的考虑对于自然冷却的机箱，大部分,52,电子设备自然冷却,系统,风道设计的一些,基本原则：,进、出风口尽量远离，以强化烟囱效果。,出风口尽可能设计在系统的顶部。,在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔，以利于形成有效的烟囱。,系统后部应留一定空间以利于气流顺畅流出。,为了避免下部热源对于上层热源的影响，可采用隔板形成独立风道。,为了避免热空气流入配电单元而影响其可靠性，可把气流风道隔离，形成完整、独立的风道。,机箱的选材,如果,需利用模块的机箱作为散热器，则模块机箱必须选用铝合金材料，且模块内壁不得进行拉丝处理，材料的厚度不得低于,1.5mm,。如果,不利用机箱进行散热，则模块机箱选材不受限制。,电子设备自然冷却系统风道设计的一些基本原则：机箱的选材,53,电子设备自然冷却,电子设备自然冷却,54,电子设备自然冷却,系统为自然对流独立散热风道，机柜出风口在后门的顶部或顶部。,模块或插框为前后通风冷却。,机柜后面的风道要求有足够的宽度，通常推荐大于,200mm,以上。,配电单元如果位于系统顶部，需与风道隔离，以避免热空气对配电元器件的影响,。,除进、出风口外，其它部位须完全密封,。,系统为自然对流独立散热风道，机柜出风口在后门的顶部或顶部。,模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。,机柜后面的风道要求有足够的宽度，通常推荐大于,200mm,以上。,配电单元如果位于系统顶部，需与风道隔离，以避免热空气对配电元器件的影响。,除进、出风口外，其它部位须完全密封,。,电子设备自然冷却系统为自然对流独立散热风道，机柜出风口在后门,55,电子设备,强迫通风,冷却,整机通风冷却设计的焦点在于合理控制气流与分配气流，使其按照预定的路径通行，并将气流合理地分配给各单元和组件，使所有元器件均在稍低于额定的温度下工作。,元器件排列时，应将不发热或发热量小的元器件排列在冷空气的上游（靠近进风口处），耐热性差的元器件排列在最上游，其余元器件可按照耐温的高低逐一排列。,在不影响电性能的前提下，将发热量大的元器件集中在一起，并与其他元器件采用热绝缘的办法，进行单独的集中通风冷却。这样可使系统所需风量、风压显著下降，以减少通风机的电机功率。,为了降低空气的输送阻力，各元器件在单元内排列时，应力求对空气的阻力最小，尽量避免在风道上安装大型元器件以免造成阻塞。,整机通风系统的进、出风口应尽量远离，以避免气流短路。,为提高主要元器件的换热效率，可将元器件装入与其外形相似的风道内，进行单独的集中通风冷却。,电子设备强迫通风冷却整机通风冷却设计的焦点在于合理控制气流与,56,电子设备强迫通风冷却,最简单的抽风风道，由机柜底部进风。流场分布均匀，各区域换热强度相差不大。但如果风道中有较大的缝隙，则会形成气流部分短路，下面区域的通风量将大大降低。,下面区域的热量依然被带入上面的区域。机柜内为负压，灰尘将通过缝隙进入机柜。,风扇框串联风道，适用于机柜风阻较大的情况。靠近风扇出风口的部分换热最强烈，但要注意风扇的,HUB,附近将形成回流死区。中间插框由于上下风扇串联，气流不能充分扩散，靠近拉手条和母板的部分风速会比较低，宜将发热元器件与热敏元器件布于单板的中间。如果单板较深，根据需要在深度方向上可采用两排风扇。,风扇也可分别置于机柜的顶部和底部，但噪音将比置于插框间大。,电子设备强迫通风冷却最简单的抽风风道，由机柜底部进风。流场分,57,电子设备强迫通风冷却,插框独立抽风散热风道，适用于各框散热量都比较大的情况，各插框散热互不干扰。机柜由开孔前门进风，顶插框可以上出风，下面的插框后出风。采用轴流风扇时，出风直接受阻挡，风阻较大。如果机柜不宜做得较深，必须在后门开孔，并且机柜离墙有足够的距离；如果机柜可以做得较深，可以在后门与母板间流出足够宽度的空间作为风道，将风从机柜顶部排出，由于风道多次垂直转弯，将形成较大的风阻，宜在后风道安装导风装置或采用离心风扇。,注意，由于进风为水平方向，单板的右上区（拉手条端）将形成回流区，此处不宜布置热流量较高的元件和热敏元件。,此,为宽带,传输的机柜风道,，插,框独立散热。两个子框采用鼓风方式，最下面的插框自然散热。风扇斜放的角度尽量大于,45,，避免风扇进风不利和产生较大的噪音。风扇前面的斜板为防尘板，在这里安置防尘板，可以增加防尘面积，减小阻力，均化流场。,如图可见，采用鼓风方式的独立风道将大大增加机柜高度。,电子设备强迫通风冷却插框独立抽风散热风道，适用于各框散热量都,58,电子设备强迫通风冷却,这是典型的机箱通风风道设计，采用离心风扇抽风，向后排出，进风口在机箱前下方。威图和国外一些产品都采用这种风道。我们目前掌握的离心风扇资料中没有合适的型号可用于这种设计，主要因为离心风机的风量过小，尺寸大，噪音也大。,如果,没有合适的离心风扇型号可选，可用轴流风扇竖放代替，但风扇模块将占用较大高度空间。如果机箱高度有限制，可将风扇平放，但风扇出风口上方还是得留有一定出风空间，至少,40mm,，如风道,4,中的风扇框一样，这种方式风阻较大，对风量有一定影响，需要采用较大尺寸风扇。,电子设备强迫通风冷却这是典型的机箱通风风道设计，采用离心风扇,59,电子设备强迫通风冷却,Motorola CPX8216,机箱风道。采用可变速轴流风扇鼓风，风扇竖放，风扇的出风口处装有导风叶片，将气流按系统热量分布分为三个部分，一部分冷却电源模块，一部分冷却后插单板部分和前插单板的后半部分，一部分冷却前插单板靠近拉手条的发热元器件。这种设计使结构紧凑，风量合理分配。,电子设备强迫通风冷却Motorola CPX8216机箱风道,60,电子设备强迫通风冷却,-,机箱的热设计,1,，,风扇,侧的通风面积,无论是抽风还是吹风方式，安装风扇侧的通风面积即为风扇的流通面积，按下式计算：,S,K,0.785(D,out,2,-D,HUB,2,),S-,风扇侧机箱的通风面积，,m,2,k-,冗余系数，取,1.1-1.2,D,out,风扇框的内直径，,m,D,HUB,风扇中心,HUB,的直径，,m,模块的通风面积,2,，,非,风扇侧的通风面积,如果抽风风扇，非风扇侧的通风面积大于等于风扇侧的通风面积 。,如果吹风风扇，考虑到空气受热体积膨胀的因素，非风扇侧的通风面积,=(1.5-2.0),风扇侧的通风面积 。,电子设备强迫通风冷却-机箱的热设计1，风扇侧的通风面积,61,电子设备强迫通风冷却,-,散热器,机箱的,表面处理,从,热设计角度，无论机箱还是散热器，不推荐表面进行任何处理，额外的表面处理对散热贡献较小，却增加了产品成本。,强迫风冷散热器的设计要点,在,散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于,0.5mm,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，可采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片成型的冷板，其齿间距最小可到,2mm,。,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,。,电子设备强迫通风冷却-散热器 机箱的表面处理强迫风冷散热器的,62,电子设备强迫通风冷却,-,散热器,散热器基板厚度与热阻的关系曲线,不同通风条件下散热器的最佳齿间距,散热器,基板厚度对散热器的热容量及散热器热阻有影响，太薄热容量太小，太厚热阻反而增加,，,左图,表示,出了基板厚度的最佳范围。对分散式散热来讲，基板厚度一般为,3-6mm,为最佳。,散热器,齿间距的确定：散热器齿间距的大小与风速有较大的关系，不同通风条件，其最佳的齿间距是不一样的,，,右图,表示,出了常见通风风速下最佳的齿间距。,电子设备强迫通风冷却-散热器散热器基板厚度与热阻的关系曲线不,63,电子设备强迫通风冷却,-,散热器,散热器齿片厚度的确定：不同的齿片厚度，其对应的齿间距是不一样的，,如,下图,所,示。,不同,齿厚对应的最佳齿间,电子设备强迫通风冷却-散热器散热器齿片厚度的确定：不同的齿,64,电子设备强迫通风冷却,-,散热器,一定的冷却体积及流向长度下，,按,下表,确定,散热器齿片最佳间距的大小,冷却条件,流向长度,(mm),75,150,225,300,自然冷却,6.5,7.5,10,13,1.0m/s(200),4.0,5.0,6.0,7.0,2.5m/s(500),2.5,3.3,4.0,5.0,5.0m/s(1000),2.0,2.5,3.0,3.5,散热器,的表面处理,安装元器件的散热器表面的光洁度,Ra,1.6,m,，平面度小于,0.1mm,。,安装元器件的散热器表面不能进行拉丝处理。,散热器表面原则上不需要任何表面处理，因为进行表面处理对热性能的改善贡献较小，而成本增加确实显著的。,电子设备强迫通风冷却-散热器一定的冷却体积及流向长度下，按,65,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,多,个风扇的安装位置,由于风扇出口风速的方向与风扇进口风速方向一般成约,45,角，即呈现倒园锥的流场分布，所以在吹风应用的场合，要求两个风扇之间最好加一个隔板或保持一个风扇厚度的间距，以避免两股流相交而产生的噪音和死区。,电子设备强迫通风冷却-风机的选择多个风扇的安装位置,66,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,风扇与最近障碍物间的距离要求,为了避免风扇太靠近被冷却物体而产生噪音，建议在吹风应用场合，风扇与单板风道入口至少应保持一个,40mm,的距离，以大于风扇直径为最佳,。,下图,显示,了在吹风时与抽风时，风扇与障碍物之间的距离对风扇静压曲线的影响，从图中可以看出，在吹风时，只有在风扇与障碍物之间的距离大于,75mm,时其影响才较小，而在抽风时，在风扇与障碍物之间的距离大于,50mm,时其影响也较小。,吹风时风扇与障碍物之间的,距离,对风扇静压曲线的影响,抽风时风扇与障碍物之间的,距离,对风扇静压曲线的影响,电子设备强迫通风冷却-风机的选择风扇与最近障碍物间的距离要,67,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,消除,风扇,SWIRL,影响,的措施,由于风扇旋转惯量,SWIRL,的影响，加之实际产品不可能有足够的空间允许流场能够充分发展，所以风扇后的流场在到达障碍物时存在明显的死区，如图,14,所示。如果不考虑这一点，把功率较大的元器件布置在此处，该元器件极可能应过热而损坏。为了消除,SWIRL,的影响，可选择以下措施：,电子设备强迫通风冷却-风机的选择消除风扇SWIRL影响的措,68,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,在,风扇出口与障碍物之间加整流栅，整流栅厚度大于,2mm,，强迫流场在经过整流栅后变得非常均匀,，,如下图,所,示。,如果,不能加整流栅，必须保证风扇出口到障碍物间的间距大于于一个风扇的直径，以使流场能够充分发展而变得较均匀。,如果,以上两条测试都无法实现，可通过仿真分析得出流场的分布图，再在,PCB,布局时避免把损耗较大的元器件布置在死区。,电子设备强迫通风冷却-风机的选择在风扇出口与障碍物之间加整,69,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,抽风条件下对风扇选型的,限制,选择风扇一般以风扇进出口风温的大小作为限制条件，对吹风条件下，进出口风温一般没有限制。而对于抽风的情况，由于风扇抽出的是热风，对风扇的寿命将产生严重的影响。对风扇厂家，一般均以,60,作为标定风扇寿命,MTBF,的条件，如果风扇应用的环境温度高于,60,，则温度每升高,5,，风扇寿命下降一半。所以抽风条件下，风扇选择应遵循以下原则：,如果,进入风扇的风温高于,60,时，应考虑选用高温风扇以保证风扇的使用寿命。,如果,进入风扇的风温低于,60,时，一般以,(60-,环境温度,),作为限制条件来选择风扇。例如：,如选用,的风扇厂家所采用的风扇寿命,MTBF,标定温度为,60,，设备使用的环境温度为,45,，则应以,(60-45)=15,作为选择风扇风量的限制条件。,电子设备强迫通风冷却-风机的选择抽风条件下对风扇选型的限制,70,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,降低风扇噪音的,原则,风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系，对于轴流风扇在大风量，低风压的区域噪音最小，对于离心风机在高风压，低风量的区域噪音最小，,如,图,所,示，这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区，,考虑合适的热设计冗余，保持最佳的热性能与噪音之比值。一般来讲，稍微降低产品的温度要求将导致产品噪音,明显,降低；此外，由于在选择风扇时总是以产品工作的最严酷的状态来选定风扇的型号，而实际上产品总是工作在正常的额定功率或半载状态下，所以风扇的冗余就显得过大，噪音也就降不下来，如果考虑合适的冗余或通过控制风扇的转速就可大大降低产品的噪音水平。,尽可能,降低系统的流动阻力，低的流动阻力意味可以选用低转速的风扇，其噪音水平也会相应降低。,风扇静压曲线与噪音变化曲线的对比图,电子设备强迫通风冷却-风机的选择降低风扇噪音的原则风扇静压,71,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,合理调整系统阻力与风扇的匹配，使风扇的工作点处于最佳的工作区域，而在最佳工作区域内风扇具有较低的噪音水平。,相同,的风速，推荐选用大一号的风扇更有利于降低系统的噪音。,避免,把障碍物放在靠近风扇的气流速度较高的区域。,在,风扇与结构件间加橡胶垫，以消除风扇振动而产生的噪音,。,把,风扇安装在机箱内侧比安装在外侧噪音小。,把,障碍物放在风扇的进风侧,附近,比,放,在风扇的出风侧产生的噪音大。,风扇,进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍，所以一般应保证风扇进风口离阻挡物至少,30mm,的距离，以免产生额外的噪音。,对于,不得不采用大风量，高风压风扇从而产生较大噪音的情况，可以在机柜的进风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材料，吸音效果较好的材料主要是多孔介质，如玻璃棉，厚度越厚越好。,有时,由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机，在保证设计风量的条件下，可以通过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速，从而降低风扇的噪音,。,电子设备强迫通风冷却-风机的选择合理调整系统阻力与风扇的匹,72,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,确定风扇型号的,方法,先,计算实际所须风量：,q,=Q/(0.335,T,),q,-,实际所需的风量，,m,3,/h,Q-,-,散热量，,W,T-,空气的温升，一般为,10,15,确定,风扇的,型号,按经验公式：按照,1.5-2,倍的裕量选择风扇的最大风量：,q=(1.5-2)q,按最大风量选择风扇型号,。,按确定工作点的方法,把风道曲线与风扇的静压曲线绘在一张图上，其交点就是风机的工作点。工作点对应的风量若大于冷却风量，风扇即满足要求，否则重新选择风扇，重复上面的工作，直到满足要求为止。,电子设备强迫通风冷却-风机的选择确定风扇型号的方法,73,电子设备强迫通风冷却,-,风机的选择,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，原则上可省掉防尘网,。,只有,在以下情况下才选择抽风,：,希望,流场规则或呈现层流。,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。,电子设备强迫通风冷却-风机的选择吹风与抽风方式的选择原则,74,电子设备强迫通风冷却,-,风机的串并联,风扇的种类,常用,风扇,有轴流（,Axial,）、离心（,Radial,）、混流（,Mixed-flow,）三,种,，如右图。,图,中横坐标表示,风量,，,纵坐标,表示风扇产生的,静压。,由图中可以看出，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,。从,图中的对比可以看出，轴流风扇风量大、风压低，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（曲线的后,1/3,段）。如果系统的阻力比较大，也可以利用高风压、低流量的工作区（曲线的前,1/3,段），但要注意风量是否达到设计值。离心风扇的进、出风方向垂直，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。混流风扇的特点介于轴流和离心之间，出风方向与进风有一倾斜角度，则风量可以立即扩散到插框的各个角落，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。,电子设备强迫通风冷却-风机的串并联风扇的种类 图,75,电子设备强迫通风冷却,-,风机的串并联,空气流过风道将产生压力损失。系统的压力损失有沿程阻力损失和局部阻力损失。沿程损失是由气流相互运动产生的阻力及气流与壁面或单板的摩擦所引起的。局部阻力损失是气流方向发生变化或风道截面发生突变所引起的损失。不管哪种损失，均和当地风速的平方成正比,图中表明风扇在该系统中工作时的风量为,35m,3,/s,，产生的静压为,30Pa,，系统的压力损失为,30Pa,。如果工作点显示的风量不满足设计要求，则需要选择其他型号的风扇来匹配，或设法降低系统阻力，增加风量。,电子设备强迫通风冷却-风机的串并联空气流过风道将产生压力损,76,电子设备强迫通风冷却,-,风机的串并联,风扇,的串并联,在,机柜,/,箱中一般为保证送风均匀和足够的风量，采用风扇并联使用的方式。风扇并联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的横向叠加，,如,左下图,所,示，实际上一般会比理想曲线略低。由图中可以看出，两个风扇并联使用产生的风量并不是仅采用一个风扇时产生风量的两倍，可能只增加,30%,，这和系统阻力特性曲线在工作点附近的斜率大小有关。如果系统阻力较大，阻力特性曲线较陡，当风扇并联的数目多到一定程度时，并不能明显增加风量。一般建议横向上并联风扇数目不要超过,3,个，如果插框较宽，可以用,4,个，纵向上除非插框很深，一般只用一排。,当机柜,/,箱的阻力较大时，可以采用风扇串联使用的方式。风扇串联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的纵向叠加，,如,右,所,示，实际曲线一般会比理论曲线略低。,电子设备强迫通风冷却-风机的串并联风扇的串并联,77,电子设备强迫通风冷却,-,风机的串并联,在实际安装情况下风扇特性曲线的改变,风扇,安装在系统中，由于结构限制，进风口和出风口常常会受到各种阻挡，其性能曲线会发生变化，,如,右图,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,20mm,。,电子设备强迫通风冷却-风机的串并联在实际安装情况下风扇特性,78,电子设备强迫通风冷却,-,防尘对散热影响,由于吹风与抽风方式对灰尘的吸附强弱是不一样的，因而对是否安装防尘网的需求也不一样。一般来讲，安装防尘网后，元器件的温升将升高,10,15,，在决定安装防尘网的产品，必须考虑,10,15,的热设计冗余。,抽风,方式的防尘措施,对,抽风来讲，由于外部压力大于模块内部的压力，灰尘非常容易进入模块并附着在模块内部的,PCB,表面及功率管表面，严重影响产品的散热性能及电气性能，所以，抽风条件下，必须安装防尘网。,吹风,方式下的防尘措施,对,吹风来讲，由于外部压力小于模块内部的压力，灰尘即使进入模块内部，也不容易附着在模块内部的,PCB,表面及功率管表面上，在压差的作用下，进入模块内部的会通过出风口或机箱的缝隙飞出,，,所以,，,在吹风条件下，实际上不需要安装防尘,网。,当然，为了照顾特殊应用的场合如室外或比较脏的地方，也可以把防尘网作为选件提供给用户，但选用使用防尘网时，产品必须降额使用。,如果不加防尘网，散热器的体积可以减小,20,，散热成本至少可以减少,30,，而噪音水平也就更加容易达到标准了。,电子设备强迫通风冷却-防尘对散热影响由于吹风与抽风方式对灰,79,FLOTHERM,简介,-,了解散热性能的方法,了解散热性能的数值方法,:,CFD (,C,omputational,F,luid,D,ynamics),实验研究,优点：直观，可靠,缺点：昂贵，周期长,数值仿真,(CFD),优点：周期短，成本低，,限制：数学模型的适用程度,FLOTHERM简介-了解散热性能的方法了解散热性能的数值,80,FLOTHERM,简介,-,仿真的基本思想,CFD,的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。,1D,0,1,2,f1,f2,2D,(1,1),(0,1),(1,0),(2,1),(1,2),f1,f2,f3,f4,3D,FLOTHERM简介-仿真的基本思想CFD的基本思想是把原,81,FLOTHERM,简介,-,传热的三种基本形式,导 热,Fourier,定律：,对 流,Newton,冷却定律：,辐 射,Stefan-Bolzman,定律：,FLOTHERM简介-传热的三种基本形式 导 热,82,FLOTHERM,简介,-,控制方程,能量守恒方程,动量守恒方程,质量守恒方程,T,1,m,1,T,2,m,2,Hot component,Q,1,2,p,1,V,1,p,2,V,2,速度大，则压力小，速度小，则压力大,1,2,V,1,A,1,V,2,A,2,A,1,V,1,= A,2,V,2,FLOTHERM简介-控制方程能量守恒方程T1 T2 Ho,83,FLOTHERM,简介,-,主要模块,FloTHERM,软件,FloTHERM,核心热分析模块,简单的建模方式：节省建模时间,笛卡尔,网格：加快计算速度,集成的经验公式：加速计算并保证准确度,Visual Editor,结果动态后处理模块,简单的操作：节省后处理时间,丰富的结果表现形式：方便项目人员的协作沟通,Command Center,优化设计模块,先进的优化算法：保证优化结果的可靠性,目标驱动的自动优化设计：减少工程师的工作量,FloMCAD.Bridge,CAD,软件接口模块,支持多种模型格式：适用范围广泛,方便的操作：,缩短建模时间,FloEDA,EDA,软件高级接口,支持多种,EDA,格式：方便电子工程师与热工程师协同工作,包含走线、器件参数、过孔等详细信息的模型读入：保证模型准确性,准确的模型简化方法：保证结果准确度的同时减少计算时间,FloTHERM.Pack,标准,IC,封装模型库,丰富的,IC,模型：方便下载以减少建模时间,欧盟资助的生成模型算法：保证模型准确度,FLOTHERM简介-主要模块FloTHERM 软件Flo,84,FLOTHERM,简介,-,使用流程,Pre-Processing,Modeling,Meshing,Boundary conditions,Initial conditions,Sources,Material properties,Physical models,Solver,Monitoring,FLOTHERM简介-使用流程Pre-Processing,85,FLOTHERM,简介,-,使用流程,Post-Processing,Temperature Profile,Speed Vector,Command center,优化,Different Cases,Solve Progress,FLOTHERM简介-使用流程Post-Processin,86,FLOTHERM,简介,-,用户界面介绍,Project Manager,项目管理器,提供树状结构的几何体和模型数据管理,Drawing Board,（模型）绘图板,提供创立和修改几何模型的简易界面，面向对象的建模技术，专业针对电子热分析的参数化模型，完全三维,CAD,风格,FLOTHERM简介-用户界面介绍Project Mana,87,FLOTHERM,简介,-,用户界面介绍,Table,数据表窗口,提供输入输出参数的数据表输出,Visual editor,图形输出窗口,提供结果的图形动态输出,FLOTHERM简介-用户界面介绍Table 数据表窗口V,88,FLOTHERM,简介,-,文件结构,库文件区,项目文件,索引文件,FLOTHERM简介-文件结构库文件区项目文件索引文件,89,FLOTHERM,简介,-,文件结构,首先,FLOTHERM,软件借助四个目录管理文件管理每个项目文件,千万别去尝试去修改项目文件中名中的数字串,项目文件夹,FLOTHERM简介-文件结构 首先FLOTHERM软件,90,FLOTHERM,简介,-,定义一个新项目,定义项目名称,定义散热环境以及散热方式,定义求解域,FLOTHERM简介-定义一个新项目定义项目名称,91,FLOTHERM,简介,-,太阳辐射的定义,设置：,设备的纬度,工作日期,工作时辰,云遮当比,设置：,被照射表面的反射率,FLOTHERM简介-太阳辐射的定义设置：设置：,92,FLOTHERM,简介,-,机箱的建模,薄壁设置,不考虑平面方向的热传导,薄还是厚？,各面单独定义：,厚还是薄？,开口不开口？,薄壁设置,厚壁设置,厚壁设置,FLOTHERM简介-机箱的建模薄壁设置薄还是厚？各面单独,93,FLOTHERM,简介,-,滤网、通风孔、打孔板的建模,尺寸,孔的形状与大小,孔的间距,直接定义开孔率,FLOTHERM简介-滤网、通风孔、打孔板的建模尺寸孔的形,94,FLOTHERM,简介,-,风扇的建模,定义风扇旋转,模拟风扇失效,风扇功耗,G,v,D,p,G,vmax,D,p,0,风扇的工作点,系统阻抗,FLOTHERM简介-风扇的建模定义风扇旋转模拟风扇失效风,95,FLOTHERM,简介,-,芯片的建模,搭建几何结构（复杂程度随考虑细致程度变化）,(,简单,) (,复杂,),双热阻模型（较简化）,热阻网络模型（较复杂）,Top inner,Top outer,Physical Leads,Leads,Junction,Bot inner,Bot outer,Stand-off,Stand-off,Side,C,J,B,R,jb,R,jc,FLOTHERM简介-芯片的建模搭建几何结构（复杂程度随考,96,FLOTHERM,简介,-,散热器的建模,FLOTHERM简介-散热器的建模,97,FLOTHERM,简介,-,导热垫、导热胶的建模,FLOTHERM简介-导热垫、导热胶的建模,98,FLOTHERM,简介,-,导热垫、导热胶的建模,方法一,用薄板建模,方法二,定义表面热阻,方法三,软件自带数据库,FLOTHERM简介-导热垫、导热胶的建模方法一用薄板建模,99,FLOTHERM,简介,-,材料的定义,FLOTHERM简介-材料的定义,100,FLOTHERM,简介,-,材料的定义,2),使用库；,1),直接定义；,FLOTHERM简介-材料的定义2)使用库；1)直接定义；,101,FLOTHERM,简介,-,功耗的定义,固定温度,固定热流量,固定总功耗,焦耳发热,体积,面积热流,热功耗随温升变化,热功耗随时间变化,Thermal Attribution,Thermal Attribution,FLOTHERM简介-功耗的定义固定温度固定热流量固定总功,102,FLOTHERM,简介,-,设定监控点,Step1,：选定要监控的元件,Step2,：点击,monitor point,监控点生成，默认位置为选定元件的几何中心,也可以不选择元件，直接建立监控点并把位置设置到关心的地方,FLOTHERM简介-设定监控点Step1：选定要监控的元,103,FLOTHERM,简介,-,网格的定义,104,