艾默生热设计规范

规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 1 页 共 82 页 共两部分 1 电子设备的自然冷却热设计规范 2 电子设备的强迫风冷热设计规范 电子设备的自然冷却热设计规范 2004 05 01 发布 2004 05 01 实施 艾默生网络能源有限公司 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 2 页 共 82 页 修订信息表 版本 修订人 修订时间 修订内容 新拟制 李泉明 1999 年 01 月 01 日 V2 0 李泉明 2004 年 05 月 01 日 更改模板 增加部分新内容 重新在结构 室规范下归档 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 3 页 共 82 页 目录 目录 3 前言 5 1 目的 6 2 适用范围 6 3 关键术语 6 4 引用 参考标准或资料 7 5 规范内容 7 5 1 遵循的原则 7 5 2 产品热设计要求 8 5 2 1 产品的热设计指标 8 5 2 2 元器件的热设计指标 8 5 3 系统的热设计 9 5 3 1 常见系统的风道结构 9 5 3 2 系统通风面积的计算 10 5 3 3 户外设备 机柜 的热设计 11 5 3 3 1 太阳辐射对户外设备 系统 的影响 11 5 3 3 2 户外柜的传热计算 13 5 3 4 系统前门及防尘网对系统散热的影响 15 5 4 模块级的热设计 15 5 4 1 模块损耗的计算方法 15 5 4 2 机箱的热设计 15 5 4 2 1 机箱的选材 15 5 4 2 2 模块的散热量的计算 15 5 4 2 3 机箱辐射换热的考虑 16 5 4 2 4 机箱的表面处理 17 5 5 单板级的热设计 17 5 5 1 选择功率器件时的热设计原则 17 5 5 2 元器件布局的热设计原则 17 5 5 3 元器件的安装 18 5 5 4 导热介质的选取原则 19 5 5 5 PCB 板的热设计原则 20 5 5 6 安装 PCB 板的热设计原则 22 5 5 7 元器件结温的计算 22 5 6 散热器的选择与设计 23 5 6 1 散热器需采用的自然冷却方式的判别 23 5 6 2 自然冷却散热器的设计要点 23 5 6 3 自然冷却散热器的辐射换热考虑 24 5 6 4 海拔高度对散热器的设计要求 24 5 6 5 散热器散热量计算的经验公式 25 5 6 6 强化自然冷却散热效果的措施 25 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 4 页 共 82 页 6 产品的热测试 25 6 1 进行产品热测试的目的 25 6 1 1 热设计方案优化 26 6 1 2 热设计验证 26 6 2 热测试的种类及所用的仪器 设备 26 6 2 1 温度测试 26 7 附录 27 7 1 元器件的功耗计算方法 27 7 2 散热器的设计计算方法 29 7 3 自然冷却产品热设计检查模板 30 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 5 页 共 82 页 前言 本规范由艾默生网络能源有限公司研发部发布实施 适用于本公司的产品设计开发及 相关活动 本规范替代以前公司的同名规范 老版本的同名规范一律废除 本规范更换了 新的模板 并根据公司产品开发需求的变化及已积累的设计经验增加了新的内容 本规范 由我司所有的产品开发部门遵照执行 本规范于 2004 05 01 批准发布 本规范拟制部门 结构设计中心 本规范拟制人 李泉明 审核人 张士杰 本规范标准化审查人 数据管理中心 本规范批准人 研发管理办 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 6 页 共 82 页 1 目的 建立一个电子设备在自然冷却条件下的热设计规范 以保证设备内部的各 个元器件如开关管 整流管 IPM 模块 整流桥模块 变压器 滤波电感等的 工作温度在规定的范围内 从而保证电子设备在设定的环境条件下稳定 安全 可靠的运行 2 适用范围 本热设计规范适用于自然冷却电子设备设计与开发 主要应用于以下几个方面 机壳的选材 结构设计与布局 器件的选择 散热器的设计与选用 通风口的设计 风路设计 热路设计 3 关键术语 3 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 3 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 3 3 导热系数 w m k 表征材料热传导性能的参数指标 它表明单位时间 单位面积 负的温度 梯度下的导热量 3 4 对流换热系数 w m 2 k 对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程的强弱 表明了当流体与壁 面间的温差为 1 时 在单位时间通过单位面积的热量 3 5 热阻 w 反映介质或介质间传热能力的大小 表明了 1W 热量所引起的温升大小 3 6 雷诺数 R e 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 3 7 普朗特数 P r 普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则 3 8 格拉晓夫数 G r 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 7 页 共 82 页 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 3 9 定性温度 确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度 3 10 肋片的效率 表示某扩展表面单位面积所能传递的热量与同样条件下光壁所能传递的热 量之比 3 11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 3 12 外部环境温度的定义 自冷时指距设备各主要表面80mm处的温度平均值 强迫风冷 使用风扇 时指距离空气入口80 200mm截面的温度平均值 3 13 机箱表面的温度定义 机箱表面温度指在机箱各表面几何中心处的温度 3 14 设备风道的进 出口风温的定义 冷却空气入口 出口温度指在入口或出口处与风速方向垂直的截面内各点 温度的平均值 3 15 冷板散热器 指采用真空钎焊 锡焊 铲齿或插片工艺成型的齿间距较密 宽高比较大 的散热器 3 16 太阳辐射强度 太阳辐射强度指 1m2黑体表面在太阳照射下所获得的热量值 单位为 W m2 4 引用 参考标准或资料 下列标准包含的条文 通过在本标准中引用而构成本标准的条文 在标准 出版时 所示版本均为有效 所有标准都会被修订 使用本标准的各方应探讨 使用下列标准最新版本的可能性 GBxxxxx 89 电力半导体器件用散热器使用导则 GB11456 89 电力半导体器件用型材散热器技术条件 GJB Z27 92 国家军用标准汇编 电子设备可靠性设计手册 GB T 12993 91 电子设备热性能评定 电子设备结构设计标准手册 TS S0E0199002 电子设备的自然冷却热设计规范 V1 0 分散式散热产品的热设计规范 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 8 页 共 82 页 5 规范内容 5 1 遵循的原则 5 1 1 进行产品的热设计应与电气设计 结构设计同时进行 平衡热设计 结 构设计 电气设计各种需求 5 1 2 热设计应遵循相应的国际 国内标准 行业标准 公司标准 5 1 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 并保证达到设定的 MTBF 指标 5 1 4 各个元器件的参数选择 安装位置与方式必须符合散热要求 5 1 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 5 1 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 5 1 4 3 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 以提高系统的可靠性 5 1 5 在进行热设计时 应考虑相应的设计冗余 以避免在使用过程中因工况 发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加 5 1 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 5 1 7 采用自然冷却的条件 常压下单位面积的最大功耗 小于 0 024 0 039w cm2 上限适应于通风条件较恶劣的情况 下限适应于通风条件较好的 场合 5 2 产品热设计要求 5 2 1 产品的热设计指标 5 2 1 1 散热器的表面温度最高处的温升应小于 50 5 2 1 2 模块内部空气的平均温升应小于25 5 2 2 元器件的热设计指标 元器件的热设计指标应符合TS S0A0204001 器件应力降额规范 具体指 标如下 5 2 2 1 功率器件的工作结温应小于最大结温的 0 5 0 8 倍 对额定结温为 175 的功率器件 工作结温小于 140 对额定结温为 150 的功率器件 工作结温小于 120 对额定结温为 125 的功率器件 工作结温小于 100 5 2 2 2 碳膜电阻 120 金属膜电阻 100 压制线绕电阻 150 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 9 页 共 82 页 涂剥线绕电阻 225 5 2 2 3 变压器 扼流圈表面温度 A 级 90 B 级 110 F 级 150 H 级 180 5 2 2 4 电容器的表面温度 纸质电容器 75 85 电解电容器 65 80 薄膜电容器 75 85 云母电容器 75 85 陶瓷电容器 75 85 5 3 系统的热设计 5 3 1 常见系统的风道结构 5 3 1 1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 5 3 1 2一些典型的风道结构 风道1 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 10 页 共 82 页 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 模块或插框自然冷却 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 风道2 风道3 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 图1 典型系统风道结构示意图 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 11 页 共 82 页 5 3 2 系统通风面积的计算 系统进风口的面积大小按下式计算 S Q 7 4 10 5H t 1 5 1 s 通风口面积的大小 cm 2 Q 机柜内总的散热量 W H 机柜的高度 cm t t 2 t1 内部空气温度 t2与外部空气温度 t 1 之差 出风口的面积大小应为进风口面积大小的 1 5 2 倍 5 3 3 户外设备 机柜 的热设计 5 3 3 1 太阳辐射对户外设备 系统 的影响 5 3 3 1 1 太阳辐射强度及其影响因素 户外柜由于处于室外 太阳辐射将是其热设计必须考虑的重要一环 到达 地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响 大气层越厚 对太阳辐射的吸收 反射和散射就越严重 到达地面的太阳辐射就越少 此外大气的状况和大气的 质量对到达地面的太阳辐射也有影响 到达地面的太阳辐射强度的大小 主要 取决于地球对太阳的相对运动 也就是取决于被照射地点与太阳射线形成的高 度角 和太阳光线通过大气层的厚度 显然地球上不同地区 不同季节 不同 气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的 到达地面的太阳辐射有两 部分 直接辐射 太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的 称为太阳直接辐射 太阳直接辐射的强弱和许多因子有关 其中 最主要的是太阳高度角 直射或斜 射 其次为大气透明度 或者说 太阳辐射 直射时 经过大气的路程愈短 被 大气削弱的愈少 到达地面的太阳辐射愈多 反之 愈少 一天当中 日出 日没时太阳高度最小 直接辐射最弱 中午太阳高度角 最大 直接辐射最强 在一年当中 直接辐射在夏季最强 冬季最弱 以纬度 而言 低纬度地区一年各季太阳高度角都很大 地表面得到的直接辐射就比中 高纬度地区大得多 散射辐射 太阳高度角增大时 到达地面层的直接辐射增强 散射辐射也 就相应地增强 相反 太阳高度角减小时 散射辐射也弱 太阳经过大气路程 长 参与散射作用的质点增多 散射辐射增强 相反 减弱 云也能强烈地增 大散射辐射 阴天的散射辐射比晴天强 一日内正午前后散射辐射最强 一年 内夏季最强 总辐射 同时到达地面 水平面 的太阳直接辐射和散射辐射之和 称为总 辐射 5 3 3 1 2 户外柜表面所吸收的太阳辐射热 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 12 页 共 82 页 当太阳射线照射到户外柜表面时 一部分被吸收 一部分被反射 二者的 比例取决于表面材料的种类 粗糙度和颜色 表面愈粗糙 颜色愈深 吸收的 太阳辐射热愈多 同一材料对于不同波长的辐射光的吸收率也是不同的 黑色 表面对各种波长的辐射几乎全部吸收 而白色表面对不同波长的吸收率不同 对于可见光几乎 90 都反射回去 所以户外柜表面最好为白色和相近色 以减 少进入户外柜内部的太阳辐射热 表 1 列举出了常用户外柜材料及表面颜色的 吸收率和发射率 表 2 列举出了建筑常材料及表面颜色的吸收率和发射率 表 1 常用户外柜材料及表面颜色的吸收率和发射率 SURFACE Shortwave solar absorptance Longwave emittance Polished Aluminum 0 03 0 05 Oil Based Paints White 0 2 0 9 Light Green 0 5 0 9 Light Gray 0 75 0 9 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 13 页 共 82 页 表 2 常用建筑材料及表面颜色的吸收率和发射率 户外柜表面所吸收的太阳辐射热按式 2 进行计算 Q solQsun 2 其中 Q 户外柜表面所吸收的总太阳辐射热 W sol 户外柜表面的太阳短波吸收率 Qsun 照射到户外柜表面的总太阳辐射热 W 包括太阳直射 散射到户外柜表面以及周围其它表面反射的太阳辐射热 开放式空间除外 Qsun I 0 A I0 太阳辐射强度 W m 2 从当地的气象资料中查取 A 户外柜被太阳照射到的表面积 m 2 5 3 3 2 户外柜的传热计算 户外柜的传热模型可以简化为如图2所示的热阻网络 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 14 页 共 82 页 图2 户外柜传热简化模型 其传热路径包括两个部分 路径一 户外柜内部生成的热量通过对流及辐射传给户外柜内表面 再通 过夹层材料 如空气 海面 泡沫等 的导热传到户外柜外表面 最后通过对流 及辐射传给周围的大气 路径二 户外柜外表面吸收了太阳辐射的热量 一部分通过对流及辐射传 给周围大气 另一部分则通过夹层材料 如空气 海面 泡沫等 的导热传到户 外柜内 要保持户外柜内的温度Ti恒定 进入户外柜的热量加上内部生成的热量应 等于户外柜表面的散热量 如果不能够平衡 则需要借助热交换器或空调来强 制维持热量的平衡 保证内部温度达到设计要求并保持恒定 户外柜传热计算 的目的就是要计算出需要依靠热交换器或空调来强制维持热量平衡的净热量 Qnet 依据热网络图2给出的传热方程式为 Ti Tair RiQi RoQi RoQ Ro Rrad Tair Tsky 3 l Ro l Rconv l Rrad Q 户外柜吸收的太阳辐射的热量 W Q solQsun Qsun 太阳辐射的总热量 W Ti 户外柜内部允许的环境温度 Tair 户外柜周围的外部环境温度 Tsky 户外柜远处的环境温度 Ro 户外柜外表面的总热阻 W Rconv 户外柜外表面的对流热阻 W Rrad 户外柜外表面向周围环境及大气的辐射热阻 W Ri 户外柜外内表面的热阻 W sol 户外柜表面的太阳辐射吸收率 具体计算方法按照表3提供的小程序即可快速计算出冷却所需的净热量Q net 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 15 页 共 82 页 表 3 太阳辐射热负荷计算表 Sun Load Calculation for the Outside Cabinet Solar radiation parameters Solar radiation Solar tensity W m2 1120 Area sunshine m2 1 8Sunshine or Shadow Area Area shadow m2 1 44 Absorbtance of the outter surface 0 2Coefficient refer to right table Emittance of the outter surface 0 9 Constant Coefficient Stefan Boltzmann Coefficient 5 67E 08 Input Parameters Width mm 600 Depth mm 600Dimensions of the Cabinet Height mm 1200 Outside natural convection coefficient 1 W m2C 3Heat Transfer Coefficient Inside forced convection coefficient 2 W m2C 40 Outside ambient temperature Toutside ambient 40Ambient Temperature Inside ambient temperature Tinside ambient 55 Thickness of the outside plane mm 3 Heat conductivity of the outside plane W mC 180 Thickness of the insulated material mm 7Cabinet s Wall Property Heat conductivity of the insulated material W mC 0 033 Ouput Parameters Inside temperature of the wall Tinside wall C 55 56Temperature of the Wall Sunshine Outside temerature of the wall Toutside wall C 60 34 Inside temperature of the wall Tinside wall C 53 91 1E 07Temperature of the Wall Shadow Outside temerature of the wall Toutside wall C 44 64 0 0 Sun Load Absorbed heat from the sun W 403 20 403 2 Sunshine side W 109 84Convection heat transfer to the ambient Shadow side W 20 05 Sunshine side W 252 83Rediation heat transfer to the ambient Shadow side W 42 84 Heat transfer in the cabinet from the sun in the sunshine side W 40 53 Total amount of Heat Net Inrease from the sun to the cabinetQnet W 22 36 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 16 页 共 82 页 Note 1 When run this program firstly fill in the input parameters and select the surface color of the cabinet then wirte the data of right table to the C6 and C7 Secondly make the value of D30 equal to the C30 by changing the value of C27 Thirdly make the value of D28 equal to D29 i e 0 0 by changing the value of C29 Finally enjoy the results at the line 35 or line 36 2 If this value is less than 0 0 that means the outter surface of the cabinet has so good heat transfer performance that it can decrease the heat load of heat exchanger 5 3 4 系统前门及防尘网对系统散热的影响 如果前门的进风口位置满足要求 并且进风面积足够 一般来讲 开门与 关门有约2 5 差异 如果需在系统上加防尘网 即使采用粗效的防尘网 也将带来5 10 的差 异 5 4 模块级的热设计 5 4 1 模块损耗的计算方法 模块的损耗可由下式计算 Pdiss 1 1 P out 4 Pdiss 模块的损耗 W Pout 模块的输出功率 W 模块的效率 功率损耗 Pdiss 是由于发热器件的发热而引起的 这些发热器件包括开关管 MOSFET IGBT 整流管 整流二极管及 FRED 滤波电感 变压器以及 开关管的驱动等 5 4 2 机箱的热设计 5 4 2 1 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 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 17 页 共 82 页 5 4 2 2 模块的散热量的计算 5 4 2 2 1 对密封机箱 QT 1 86 Ss 4St 3 2Sb 3 t 1 25 4 S T m3 T 5 S Ss St Sb 如果计算出的散热量 QT 需求散热量 Q 则必须选用通风机箱 5 4 2 2 2 对通风机箱 QT 1 86 Ss 4St 3 2Sb 3 t 1 25 4 S T m3 t 1000uA T 6 QT 模块的耗散功率 W Ss 机箱侧面内壁的有效面积 m 2 St 朹机箱顶部面积 m 2 Sb 机箱的底面积 m 2 t 风道进出口温差 斯 波尔兹曼常数 为 5 67 10 8W m2 K 辐射系数 Tm T Ta 2 T 机箱的表面温度 K Ta 环境温度 K u 自然风速 一般取 0 1 0 2m s A 通风面积 m2 5 4 2 3 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 可按计算式 5 6 中提供的方法计算辐射换热 也可按下式进行计算 Q辐射 4 S Ts4 Ta4 7 S 机箱的有效面积 m2 斯 波尔兹曼常数 为 5 67 10 8W m2 K 辐射系数 Ts 机箱的表面温度 K Ta 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 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 18 页 共 82 页 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 对于模块 基本处于室内 不涉及太阳辐射的问题 如果模块周围没有温 度高于模块的物体 其机箱表面吸收的辐射热量可以不考虑 只需考虑机箱表 面的散热量 所以机箱表面的实际辐射散热量对于机箱表面辐射散出的热量 Q 实际辐射 Q 辐射散热 如果模块周围有温度高于模块的物体 其机箱表面吸收的辐射热量必须考 虑 机箱表面的实际散热量按 8 式计算 Q 实际辐射 Q 辐射散热 Q 辐射吸热 8 5 4 2 4 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 表面处理对辐射散热贡献较小 却增加了产品成本 5 5 单板级的热设计 5 5 1 选择功率器件时的热设计原则 5 5 1 1 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 5 5 1 2 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 5 5 1 3 在其它性能参数相同的情况下 优先选用封装尺寸较大的功率器件 根 据供应商手册提供的数据进行筛选 以减小器件与散热器间的接触热阻 Rcs 5 5 1 4 对于 MOSFET 器件 在结壳热阻 Rjc相近的条件下 应优先选用 25 下 RD ON 较小的器件 5 5 1 5 对于IGBT器件 在结壳热阻R jc相近的条件下 应优先选用相同门极电 阻下开关能量较小的器件 5 5 2 元器件布局的热设计原则 5 5 2 1 电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射 对流进行散热的 所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆 放置位置应便于对流 散热并加大与其它元件之间的距离 5 5 2 2 对不加屏蔽罩的变压器 铁芯与支架 支架与固定面之间应有良好的 接触 以使接触热阻最低 对带屏蔽罩的变压器 外罩必须与固定面良好接触 把变压器的固定面用 支架垫高 并在底板上开通风孔 以形成气流对流 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 19 页 共 82 页 5 5 2 3 对模块内部不能够吹到风的PCB板 在布置元器件时 元器件与元器件 之间 元器件与结构件之间应保持一定距离 以利空气流动 增强对流换热 5 4 3 3 1 对相邻的两垂直发热表面 d L 0 25 如图 3 a 所示 5 4 3 3 2 对相邻的垂直发热表面与冷表面间距 d min 2 5mm 如图 3 b 所示 5 4 3 3 3 对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间 d D 0 85 如图 3 c 所示 5 4 3 3 4 对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间 d D 0 7 如图 3 d 所 示 5 4 3 3 5 对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间 d D 0 65 如图 3 e 所示 图 3 自然对流时元器件排列的距离关系 5 4 3 4 在PCB上布置各种元器件时 应将功率大 发热量大的元器件放在边沿 和顶部 以利于散热 5 4 3 5 应将不耐热的元件 如电解电容 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 5 4 3 6 在 PCB 上布置各种元器件时 应将功率大 发热量大的元器件放在出 风口的位置 5 4 3 7 对热敏感元件 在结构上应采用 热屏蔽 方法解决 5 5 3 元器件的安装 元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻 即接触热阻 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 20 页 共 82 页 5 5 3 1 为尽量减小传导热阻 应采用短通路 即尽可能避免采用导热板或散 热块把元器件的热量引到散热器表面 而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 5 5 3 2 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 5 5 3 3 对器件须与散热器绝缘的情况 采用的绝缘材料应同时具有良好的导 热性能 且能够承受一定的压力而不被刺穿 详见 5 5 4 5 5 3 4 把器件装配在散热器上时 应严格按照我司 TS S0E0102012 大功率管 安装设计工艺规范 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 5 5 3 5 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上 5 5 3 6 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 5 5 3 7 当利用接触界面导热时 采用下列措施使接触热阻减到最小 5 5 3 7 1 尽可能增大接触面积 5 5 3 7 2 确保接触表面平滑 5 5 3 7 3 利用软材料接触 5 5 3 7 4 扭紧所有螺栓以加大接触压力 注意不应残留过大应力 5 5 3 7 5 利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀 5 5 4 导热介质的选取原则 为了解决功率器件与散热器间的电气绝缘问题 功率器件与散热器间应加 导热绝缘材料 考虑到性价比 在散热条件不是很恶劣 如功率器件损耗较小 或功率器件处于有利的通风位置时 可选用通用的导热绝缘材料SP400 其它条 件下可选用散热性能较好的SP900S 只有在特殊情况下 才允许选用SP2000 其性能参数如表4所示 表4 常用热界面材料性能参数表 材料 Sil pad2000 Sil pad900S Sil pad400 陶瓷基片 材料厚度 mm 0 25 0 025 0 23 0 025 0 23 0 025 0 63 0 025 导热系数W m k 3 5 1 6 0 9 27 单位面积热阻 cm 2 W 1 29 2 6 4 6 1 2 使用温度 60 180 60 180 60 180 60 180 材料构成 硅橡胶 玻璃纤 维 硅橡胶 玻璃纤 维 硅橡胶 聚脂薄 膜 陶瓷 三氧 化二铝 实测热阻值 0 4 0 6 0 9 0 35 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 21 页 共 82 页 实测热阻值是在采用 TO 247 封装 在紧固压力为 12Kg cm 下测得的 5 5 4 1 由于陶瓷基片在安装时容易碎裂 所以不推荐使用陶瓷基片 5 5 4 2 对于输出部分 由于总是处于出风口的位置 一方面通过其功率管表 面及散热器表面的风均为热风 另外输出二极管部分后面总会有输出共模电感 或差模电感之类的体积较大的器件 影响出风 所以该部分的散热条件总是比 较恶劣 为了减小散热器的压力 可考虑采用散热器悬浮的方法去掉功率管与 散热器间的导热绝缘膜 使功率管直接贴在散热器上 5 5 4 3 为了便于安装 导热绝缘膜可考虑选用单面背胶的方法解决导热绝缘 膜的定位问题 即先将导热绝缘膜粘在安装位置 再进行功率管的安装与紧固 但必须注意 导热绝缘膜背胶会增加其热阻 由于胶不是良好的导热介质 一 般情况下 热阻会增加 30 40 所以 在热设计时需考虑该部分的冗余 5 5 4 4 我司推荐的大部分导热绝缘材料均采用硅橡胶为基体 质地较软 因 此 在安装时不需要涂硅脂 只有少数材料如SP400 SPK10 陶瓷基片等质地 比较硬的材料必须涂硅脂 要求硅脂必须涂敷均匀 硅脂层厚度小于0 15mm 5 5 5 PCB 板的热设计原则 PCB 板热设计的主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部 散热器和大 气中 5 5 1 印制线的载流容量和温升 设计印制板时要保证印制线的载流容量 印制线的宽度必须适于电流的传 导 不能引起超过允许的温升和压降 在实际应用中 常有较大电流流过输出端铜箔 如果输出铜箔设计的过细 则会导致铜箔的温度上升 印制电路板的材料 导电铜箔的厚度 容许温升将 影响到铜箔厚度应该多宽 能承受多大电流 一般对1盎司的环氧玻璃板 如果 允许温升小于10 考虑到系统内部的环境温度可能超过70 则一般可按1A 电流取1mm宽铜箔的经验数据进行铜箔设计 如假如流过的电流为5A 对1盎司 的环氧玻璃板 其铜箔宽度可取5mm 实际可按照容许温升的大小按照图4进行 选择 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 22 页 共 82 页 图4 1盎司环氧玻璃板电流与铜箔宽度的关系图 需提醒的是 不同的基板材料生产厂家 不同的基板材料 则图3显示的电 流与铜箔的关系是不相同的 可通过实验进行确定 5 5 2 印制板的散热 5 5 2 1 选用厚度大的印制线 以利于印制线的导热和自然对流散热 5 5 2 2 减小元器件引线腿及元器件引线间的热阻 增强元器件引线腿对印制 线的热传导 增强导电性 5 5 2 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 应采用散热网 汇流条器等措施 5 5 2 4 若发热密度非常高 则元器件应安装散热器 在元器件和散热材料之 间应涂抹导热膏 5 5 2 5 以上措施仍不能充分散热时 就应采用热传导性能好的印制板 如金 属基底印制板和陶瓷基底 高铝陶瓷 氧化砖陶瓷 冻石陶瓷 印制板 5 5 2 6 对塑封器件和 SMD 封装的元器件 通过管脚散热成为主要的散热器途 径之一 其热设计应满足以下原则 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 如图 5 所示 图 5 改善管脚侧散热的措施之一 散热焊盘由过孔连接到内层夹心层进行散热和热平衡 图 6 改善管脚侧散热的措施之二 Balnce lbostruiThermal EpoxyCer discRth j pLCsolderthma p Coper cladinvThermal viElectrial vSubstrae Solder Jint 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 23 页 共 82 页 5 5 2 7 PCB 焊盘的隔热设计 较大的焊盘及大面积铜皮对管脚的散热十分有利 但在过波峰焊或回流焊时 由于铜皮散热太快 容易造成焊接不良 必须进行隔热设计 常见的隔热设计 方法如图 7 所示 图 7 焊盘的隔热设计 5 5 6 安装 PCB 板的热设计原则 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 以利于对流散热 5 5 7 元器件结温的计算 为保证元器件的安全散热 需要校核元器件的结温是否工作在安全温度下 首先得获得如下数据 元器件的耗散功率Q 额定值 结点 junction 的安 全工作温度范围Tjmax 最大值和推荐值 结至冷却空气热阻Rja 结至壳热 阻Rjc 结至板热阻Rjb 封装方式 散热表面外形尺寸 以上参数一般在元器 件供应商提供的用户手册中可以查到 PCB板的层数 流过元器件的空气温度 和速度 由系统级估算获得 工作结温按下式进行计算 5 5 7 1 元器件背有散热器 对于带铜板封装的大功率元器件 典型如 TO 220 TO 247 等 其热量通过 环氧表面 通常为 TOP 面 管脚及铜板共 3 个渠道传递出来 由于结到环氧表 面 结到管脚的热阻较大 所以通过铜板的传热为主要的传热途径 如果铜板 所贴的散热器热阻足够小且流过环氧表面的风速小于 1m s 则通过其它两种路 径的传热基本可以忽略 在已知散热器台面温度 Ts 下 器件的工作结温为 Tj Ts PT Rth j s 0 8T jmax 9 PT 元器件的热损耗 W Rth j s 元器件结到散热器表面的热阻 W 对于无铜板的塑封器件 其热量通过环氧表面 通常为 TOP 面 管脚共 large msTrace width 0 25 4mfo3 4s it 3 6fr12aces 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 24 页 共 82 页 2 个渠道传递出来 元器件不仅通过表面对流散热 还通过 PCB 板的导热传递 热量 PCB 的各层信号层 地层和电源层都铺有大面积的铜 综合的导热系数 比较高 整个 PCB 板就象是一块大的平板散热器 具有热量均匀化的作用 所 以应尽量减小结至板的热阻 如 BGA 封装有大量钢珠直接和板接触 热阻比 QFP 的封装方式小 一般较难计算散热量在这两条散热路径 表面对流与 PCB 导热 上的分配比例 但经验表明对于 BGA 和 QFP 这样的封装 表面无散热器 时 PCB 导热量将占总发热量的 50 或以上 表面加散热器时 表面热阻大幅降 低 则 PCB 导热量将减小为很小一部分 5 5 7 2 元器件无散热器 如果已知结到环境的热阻 环境温度 则器件的工作结温为 Tj Ta PT Rth j a 10 5 6 散热器的选择与设计 5 6 1 散热器需采用的自然冷却方式的判别 对通风条件较好的场合 散热器表面的热流密度小于0 039W cm 2可采用自 然冷却 对通风条件较恶劣的场合 散热器表面的热流密度小于0 024W cm 2可采用 自然冷却 5 6 2 自然冷却散热器的设计要点 5 6 2 1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 5 6 2 2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 5 6 2 3自然对流的散热器表面一般采用 发黑处理 以增大散热表面的辐射系数 强化辐射换热 5 6 2 4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 图8 散热器基板厚度与热阻的关系曲线 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 25 页 共 82 页 而增加 图 8 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 5 6 2 5 自然冷却所需散热器的体积热阻为 500 800 cm 3 W 注意 表 2 只能 作为初选散热器的参考 不能用它来计算散热器的热阻 散热器的实际热阻需 按附录 A 提供的方法计算 5 6 2 6 一定的冷却体积及流向长度下 按表 5 确定散热器齿片最佳间距的大小 表5 不同冷却条件及流向长度与散热齿片最佳齿间距的关系 流向长度 mm 冷却条件 75 150 225 300 自然冷却 6 5 7 5 10 13 5 6 2 7 不同形状 不同的成型方法的散热器的传热效率 如表 3 所示 尽可能选 用成型简单的工艺以降低散热器的加工成本 5 6 2 8 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 平面度对于 0 1mm 安装元器件的散热器表面不能进行拉丝处理 表6 不同形状 不同的成型方法的散热器的传热效率 散热器成型方法 传热效率 成本参考 冲压件 光表面散热器 10 18 低 带翅片的压铸散热器 常规铝型材 15 22 较低 铲齿散热器 25 32 较高 小齿间距铝型材 45 48 高 针装散热器 钎焊 锡焊 铲齿 插片 成型散热器 冷板散热器 78 90 很高 5 6 3 自然冷却散热器的辐射换热考虑 5 6 3 1如果物体表面的温度低于50 可忽略颜色对辐射换热的影响 因为此 时辐射波长相当长 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 发射率和吸收率与物体表面的颜色无关 5 6 3 2 如果物体表面的温度低于50 可不考虑辐射换热的影响 5 6 3 3辐射换热面积计算时 如表面积不规则 应采用投影面积 即沿表面各 部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积 如图9所示 辐射传热要求辐射表面必 须彼此可见 图9不规则表面的辐射投影面积 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 26 页 共 82 页 5 6 4 海拔高度对散热器的设计要求 对于自然对流 其传热机理是由于冷却空气吸热后其密度减小 迫使重力 场中的空气上升而形成冷热空气的对流而产生热量传递 由于随着海拔高度的 增加 空气的密度逐渐减小 空气上升的能力也就减少 自然对流换热的能力 减弱 自然对流换热能力的变化最终体现在对流换热系数的变化上 根据美国 斯坦伯格的经验公式 如果忽略空气温度的变化 可按 11 式计算海拔高度对 自然对流的影响强弱 hc 高空 hc 海平面 高空 海平面 0 5 hc 海平面 p高空 p海平面 0 5 11 hc 高空 hc 海平面 分别为高空及海平面的自然对流换热系数 W m k 高空 海平面 分别为高空及海平面的空气密度 Kg m 2 p高空 p 海平面 分别为高空及海平面的空气压力 帕斯卡 5 6 5 散热器散热量计算的经验公式 按照表7的计算公式计算自然对流换热系数 表7不同安装条件下的自然对流换热系数计算公式 层流 10 4 Ra10 9 特征长度L 垂直安装 hc 1 42 t L 0 25 hc 1 31 t L 1 3 L 流向长度 m 水平安装热面朝上 hc 1 32 t L 0 25 hc 1 43 t L 1 3 水平安装热面朝下 hc 0 61 t L 0 25 L 2 长 度 宽 度 长 度 宽 度 为了简化计算 忽略散热器的导热热阻 即假设模块的热量能够均匀传递 到散热器的各表面 此时计算出的散热量为模块的最大散热量 Q h c F对流 t 12 hc 自然对流换热系数 w m 2 k t 散热器台面允许温升 F对流 对流表面积 m 2 散热器齿片效率 对直齿肋 th mb mb 12 1 m 2 hc 0 0 5 12 1 1 0 肋片根部厚度 m b 肋高 m 导热系数 W m k 如果Q P D 表明散热器的设计不满足散热要求 必须进行重新设 计 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 27 页 共 82 页 5 6 6 强化自然冷却散热效果的措施 5 6 6 1尽可能增大散热面积 增大散热面积的途径有三种 加大散热器尺寸 增加散热器的齿片数 但不能太密 5 6 6 2 散热器竖直放置 散热齿槽与气流方向一致 5 6 6 3 优化热源的排列方式 使其长边与气流方向一致 5 6 6 4 表面进行发黑处理 6 产品的热测试 6 1 进行产品热测试的目的 6 1 1 热设计方案优化 对不同的方案进行比较 确定较优的散热设计方案 6 1 2 热设计验证 检验热设计的合理性与有效性 验证产品的有关热设计指标是否满足产品 的热设计验证判定标准 6 2热测试的种类及所用的仪器 设备 6 2 1 温度测试 6 2 1 1温度测试的项目 设备内部环境温度 机箱表面温升 自然对流换热时测量 关键元器件和发热元器件的表面温升 散热器和冷板的热点温升 冷却空气入口温度与出口温升 6 2 1 2 温度测量仪器类型 温度测量仪器包括热电偶 玻璃温度计 示温漆和示温蜡 电阻温度计 热敏电阻 光学温度计 红外扫描系统等 6 2 1 3 热电偶 6 2 1 3 1 热电偶的选择 热电偶的种类较多 就通信设备来讲 由于我们设备的温度一般低于200 以下 在该范围内铜 康铜或镍铬 铐铜热电偶具有较高的精度 为K型热电偶 其分度值应符合GB 2903和GB 4993的规定 热电偶的测试精度为 0 1 6 2 1 3 2 热电偶的焊接方法 通常采用熔焊的方法把铜 康铜或镍铬 铐铜焊接在一起 不允许采用把 铜 康铜丝直接铰在一起的方法 6 2 1 3 3 热电偶的粘接方法及减小测量误差的措施 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 28 页 共 82 页 热电偶采用导热胶粘接粘贴在被测表面 为了保证测试结果的精度 热电 偶探头固定在测温表面上时 必须将一段热电偶导线沿测温表面的等温线 布置 这样可以消除热电偶导线本身导热而导致的测量误差 导线长度应大于10mm 如图10所示 图10 热电偶与被测表面的接触形式 6 2 1 3 4 与热电偶配套的检测仪表 热电偶的温度检测通常采用多路采集器 如FLUKE公司的Hydra logger 及 日本恒河公司的DR230系列等 测试精度为 0 1 6 2 1 4玻璃温度计 玻璃液体温度计通常用来测量流体温度和校准其它的测温仪器如热 电偶等 玻璃温度计的精度可以达到 0 01 6 2 1 5 示温漆与示温蜡 示温漆是一种随温度变化而变化的漆 漆的颜色变化达四种之多 不同的 颜色代表不同的温度 示温漆还可以用于显示某个区域的温度场及热流模式 示温蜡是在特定的温度下熔化的蜡状物质 从而显示出温度 示温漆与示温蜡的精度较差 一般在 5 9 6 2 1 6 电阻温度计 电阻温度计与热电偶的原理及用途相似 两者均因辐射影响而产生误差 其精度为 0 1 6 2 1 7 热敏电阻 热敏电阻遵循电阻测温学的原理 由于它的温度系数很大 所以灵敏度高 得多 其缺点是容易老化 需进行定期校准 其测试精度为 0 1 6 2 1 8 光学温度计 红外扫描系统等 光学温度计 红外扫描系统均通过测量一个热源的红外辐射而得到温度 其测试精度最高可以达到 0 3 由于测量时必须准确知道被测表面的发射率 且要求被测表面必须可见 限制了它们的使用 规范编码 结构设计规范 版本 V2 0 密级 秘密 艾默生网络能源研发部 执笔人 李泉明 页码 第 29 页 共 82