产品热设计基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,产品热设计基础,结构部 毕金成,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,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,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,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,20%振动,6%粉尘,19%潮湿,Figure 1 : Junction Life Statistics,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,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,公司的降额规范,结温,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,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,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,热传导,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,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，m,2,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W/m.K或W/m.。,热传导,常用材料的导热系数,63,140,386,120,150,220,192,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,6063,材料,272.1,0.03,370,1-4,0.5,35,0.71,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,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 sink,Heat source,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,对流换热的基本方程,QF,对,t=t/R,对,- 对流换热系数，W/m,2,.K或/m,2,.;,F,对,- 有效对流换热面积，m,2,；,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/m,2,.K或W/m,2,.。,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,估计的对流换热系数,-,自然对流（空气）,5 W/m,2,K,-,强制对流（空气）,25 W/m,2,K,-,强制对流（水）,15,000 W/m,2,K,-,蒸发,200,000 W/m,2,K,对流,自然对流,optimal,对流,自然对流，散热器方向,gravity,对流,强制对流,风扇特性曲线,最佳工作区,高流阻,低流阻,对流,表观面积与有效散热面积,q = h,A,(T,hs,-T,air,),Heat flow,Low efficiency,T_fin = T_air,对流,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。,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。,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,热辐射,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,-8,12,f,12,F,辐射,(T,1,4,-T,2,4,),12,- 系统黑度，,12,1/(1/,1,+1/,2,-1),1,，,2,-分别为物体1和物体2的黑度;,f,12,- 角系数,F,辐射,-物体的辐射面积，m,2,;,T,1, T,2,-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。,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,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,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,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,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）,F,F,热电模拟法,电阻的并联：,1/R=1/R,1,+1/R,2,+.,热阻的并联：,1/R,th,=1/R,th1,+1/R,th2,+.,电阻的串联：,R=R,1,+R,2,+.,热阻的串联：,R,th,=R,th1,+R,th2,+.,电容,C(,法,),热容,C,mC,p,(cal/,),电阻,R,I/V,ab,(,欧姆,),热阻,R,th,=,T/P(,/W),电压,V,ab,V,a,-V,b,(V),温差,T=T,2,-T,1,(,),电流,I(A),热流,P(W),电路,热路,热电模拟法,热路及热网络的案例分析,热阻串联,热阻并联,热电模拟法,元器件的散热途径,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T,s, 器件结壳热阻R,th(j-c),由器件承认书查取，则器件的工作结温为：,T,j,=T,s,+ P,T,(R,th(j-c),+R,th(c-s),),- 如果已知器件芯片到环境的热阻R,th(j-a),，环境温度，则器件的工作结温为：,T,j,=T,a,+ P,T,R,th(j-a),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,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。,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。,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。,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。,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,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,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,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,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,也会随海拔高度的升高而逐渐降低。,(P,0,),altitude,= (P,0,),Sea Level,(,r,altitude,/,r,Sea Level,),风扇的基本知识,海拔高度对风扇曲线的影响,Q,D,P,High Altitude,Curve,Sea Level Curve,风扇的基本知识,海拔高度对系统阻力曲线的影响,Q,High Altitude,Curve,Sea Level Curve,风扇的基本知识,如何修正海拔高度对散热的影响？,D,T,altitude,Multiplier,D,T,Sea Level,海拔高度（m）,算子,0（海平面）,1,1000,1.11,1500,1.14,2000,1.166,2500,1.2,风扇的基本知识,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,风扇的安装原则,风扇的基本知识,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,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,热设计的基本原则,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T,j,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R,jc,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R,cs,。,热设计的基本原则,PCB的热设计的基本准则,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,二：散热焊盘由过孔连接到内层夹心层进行散热和热平衡,三：增大散热面积及对流,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。,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,PCB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(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/cm,3,，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,减小接触热阻措施,尽可能增大接触面积；,确保接触表面平滑；,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热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。,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,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,自然对流风路设计,1.功能单元(模块)布局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,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,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/s,测试项目：机箱内环境温度,机箱表面温度（自然对流要求）,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,温度测试,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,温度测试,测试点的布置方法（二）,电磁元件：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,温度测试,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：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,温度测试,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,温度测试,常用热电偶测温范围和精度,热设计的验证方法,风速测试,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,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,流体压力测试,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,压力测试方法,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,静压测量方法,热设计的验证方法,动压测量方法：测量总压与静压之差,热设计的验证方法,测试风洞（流量、流阻测量）,热设计的验证方法,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！,