电子产品热设计原理和原则ppt课件

电子产品热设计原理和原则 目录热设计简介各种散热方式的影响因素机顶盒散热设计 2020 4 24 2 热设计简介 2020 4 24 3 在热源至热沉之间提供一条低热阻通道 热设计核心 2020 4 24 4 热能传递只有3种方式 热传递方式 传导 对流 辐射 2020 4 24 5 各种散热方式的影响因素 2020 4 24 6 传导散热 2020 4 24 7 传导散热 传导 在物体 固体 中传播的热能的传递 截面积 2020 4 24 8 Q KA t L L 传热路径长度 m 传导散热计算公式 Q 传导散热量 W K 导热系数 W m A 导体横截面积 m2 t 传热路径两端温差 2020 4 24 9 传导热阻的概念 由公式Q KA t L变形可得 t QL KA 1 2020 4 24 10 2020 4 24 11 热传导改善 热阻的影响因素 减少热传路径长度 R L KA 选用导热系数高的材料 增加导热面积 降低热阻 2020 4 24 12 Tj 晶片界面温度 一般115 180 军用65 80 Tc 晶片与导热介质界面温度Ts 导热介质与散热片界面温度Ta 外界为空气35 45 密闭空间或接近其他热源50 60 Rjc 晶片到封装外壳热阻Rcs 导热介质热阻Rsa 散热片热阻 散热片导热热阻模型 R Rjc Rcs Rsa 2020 4 24 13 越薄越好 越薄越好 越薄越好 减少热传路径长度措施 芯片封装外壳在保证机电性能前提下尽量薄 导热膏或者导热垫尽量薄 散热片的导热底尽量薄 2020 4 24 14 18页进一步探讨 选用导热系数高的材料 芯片封装材料 硅99 9 150 玻璃1 09 树脂2 16 三氧化二铝32 2020 4 24 15 导热膏导热垫 2020 4 24 16 散热片材料 纯铝220 纯铜386 纯银418 2020 4 24 17 增加导热面积 2020 4 24 18 结论1 散热片吸热底面积增加 芯片有效散热面积增大 纵向热阻减小 2020 4 24 19 结论2 散热底板厚度增加 芯片有效散热面积增大 面积与厚度之间要取优化值 横向热阻减小 2020 4 24 20 散热过程三步骤 对流 2020 4 24 21 吸热效果取决于吸热底设计 吸热底4个要求 2020 4 24 22 2020 4 24 23 2020 4 24 24 2020 4 24 25 对流散热 2020 4 24 26 对流散热计算公式 Q hA t Q 对流散热量 W K 换热系数 W m2 A 导体横截面积 m2 t 换热表面与流体温差 2020 4 24 27 热对流改善 R 1 hA 增加流体换热系数 增加换热面积 降低热阻 常用冷却介质的对流换热系数表 单位 W m2 自然散热主要由两部分组成 辐射换热 自然对流 其中辐射换热占的比例20 50 左右 跟物体温度及表面处理有关 自然散热时 可以假设热交换系数10w m2 2020 4 24 28 自然对流换热系数 2020 4 24 29 强制对流换热系数 2020 4 24 30 2020 4 24 31 对流换热改善 2020 4 24 32 改善对流换热系数的措施 流体相变变化 流体在气体和液体之间变化 引起流动原因 强制对流和自然对流 流体流动形态 层流和紊流 流体物理性质 比热容 导热系数 密度 黏度 传热面几何性质 形状 大小 2020 4 24 33 流体相变变化 液态流体 气态流体 蒸发段 冷凝段 在热管中使用 受热的流体蒸发气化 将热量带到冷凝段 流体在冷凝段冷却液化后 通过毛细作用流回蒸发段 自然对流 2020 4 24 34 强制对流 强制对流和自然对流 强制对流散热系数远大于自然对流 2020 4 24 35 层流和紊流 层流 紊流 流体分层流动 各流层之间互不混杂而平行于管道轴线流动 流层间没有流体质点的相互交换 流体不再分层流动 流体质点除沿管道轴线方向运动外 还有剧烈的径向运动 紊流散热系数大于层流 2020 4 24 36 常用冷却流体物理性质表 散热面积的改善 2020 4 24 37 增加1倍散热量增加1倍 减小到1 2散热量增加0 4倍 增加1倍散热量增加1倍 增加1倍散热量增加0 4倍 气流方向长度 流速 散热面积 与气体温差 气流 散热面 热源 散热片散热因素的定量分析 2020 4 24 38 散热片散热计算实例 在80 的散热板上 让40 的空气平行流过的强制空冷散 求散发的热量 因为翼片有正反两面 所以每个翼片的散热量为4 88W 因为翼片不可能做到均一温度分布 所以要引入翼片效率的概念 计算结果为81 则翼片散热量应该修正为3 97W Tanh X ex e x ex e x 2020 4 24 39 散热片的规格选取 2020 4 24 40 散热量 热源尺寸 总面积和吸热底尺寸 散热片的材料和表面处理 材料 散热要求不高的场合 用铝材 散热要求高的场合 用铜材 兼顾成本 散热性能要求 基座用铜 鳍片用铝 表面处理 为提高鳍片外表面的辐射接收性能 将外表做黑化处理提高鳍片黑度 2020 4 24 41 安装散热片的注意事项 1 保证半导体功率器件工件时的实际结温小于最大结温的情况下 应该尽量选用体积小 重量轻的规格 2 散热效果优劣与安装工艺有密切关系 安装时应尽量增大功率器件与散热片的接触面积 降低接触热阻 提高传热效果 3 如果把接触热阻降的更小些 安装时在功率器件与散热器之间加一层薄薄的导热硅脂 可以降低热阻25 35 4 安装时需要在器件与散热器之间垫导热或绝缘垫片 建议采用低热阻材料 如紫铜箔 铝箔或薄云母 聚酯薄膜 5 当安装一个器件时 其安装孔 或组孔 置于散热片基面中心线上均布 L 2 位置 当安装两个或两个以上器件时其安装孔 或组孔 位置在散热器基面中心线上均布 L 2n 位置 6 紧固器件时需保证螺钉扭力一致 7 功率器件与散热片安装好后 不宜再对功率器件和散热片进行机械加工或整形 否则会产生应力 增加接触热阻 8 单面肋片式散热器 适于在设备外部 如安装在机箱外部 作自然风冷 即利于功率器件的通风散热又可降低机内温升 9 自然冷却时 应使散热片的断面平行于水平面的方向 强制风冷时 应使气流的流向平等于散热片的肋片方向 散热片的安装 2020 4 24 42 2020 4 24 43 自然对流 2020 4 24 44 2020 4 24 45 自然对流需考虑的问题 2020 4 24 46 1 元器件布局是否合理 发热高且耐热原件放在出风口处 不耐热原件放在进风口处 避免发热元件对不耐热元件的辐射影响 可采用隔离措施 热流密度高的器件放在边缘与顶部 靠近出风口的位置 与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置 大功率器件应该分散布局 避免热量集中 不同尺寸元器件尽量均分布 使风阻均布 2020 4 24 47 2 是否有足够自然对流空间 元器件与结构件之间保持13mm以上的距离 相邻两垂直发热表面 D L 0 25 相邻垂直发热表面与冷表面 Dmin 2 5mm 邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面 d D 0 85 邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面 d D 0 7 邻近的水平发热圆柱体和冷的水平表面 d D 0 65 进出风口尽量远离 避免气流短路 热 热 L D 热 冷 L D 冷 热 d D D 冷 热 d D 冷 热 d 2020 4 24 48 3 是否充分利用导热路径 导热材料将发热器件与机壳相连 4 是否充分利用辐射散热路径 5 使用散热器 6 其他冷却技术 冷管 烟囱效应 如果温度变高 空气就会膨胀 也就是说 如果体积相同 热空气会变轻 较轻的空气被较重的空气推开 然后上升 这就是自然对流 如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来 敞开上下面 可进一步地促进自然对流 这就是烟囱效应 2020 4 24 49 基于烟囱效应的静压 kg m2 外部空气密度 kg m3 内部空气密度 kg m3 X烟囱高度 m 空气密度 kg m3 0 的空气密度 kg m3 X273 15 273 15 气温 烟囱效应形成的压差 假设外部空气温度40 内部空气温度80 箱子高28cm 求空气压差 解 已知0 空气密度为1 293g L外部空气密度 1 293X273 15 273 15 40 1 128g L内部空气密度 1 293X273 15 273 15 80 1g L盒子烟囱效应的静压 1 128 1 X0 28 0 0358kg m2 0 351Pa 2020 4 24 50 烟囱效应的例子 2020 4 24 51 2020 4 24 52 强制对流 2020 4 24 53 2020 4 24 54 1 风道设计 尽量采用直通风道 避免气流转弯 尽量避免骤然扩张或者骤然收缩 进出风口尽量远离 避免气流短路 正面 侧面 背面如无必要不要开孔 避免气流短路 避免上游单元发热影响下游单元 可采用独立风道 避免风道回流区和低速区产生热点 并联风道避免风阻不合理布局 避免风道高低压区短路 2020 4 24 55 基于排气的散热量 产品内部构造 风道 风扇P Q特性图 风扇产品目录 强制对流的工作流程 换气量的估算 2020 4 24 56 70W 60 40 30W 100W 所需空气量 L 秒 热量 W 空气热容量 J L X温度上升 空气热容量 1 2953温度上升 作为产品指标的允许温度和使用环境温度之间的差 所需空气量为2 7 L 秒 风扇P Q特性图 2020 4 24 57 2020 4 24 58 辐射散热 辐射换热辐射是指经由红外线 光及电磁波等从物体表面传递的方式 Q T4 Q 辐射散热量 W 散热表面辐射率 W m2 斯蒂芬 玻尔兹曼常数 5 67 10 8 W m2K4 T 绝对温度 K 辐射散热 2020 4 24 59 2020 4 24 60 常用材料黑度 2020 4 24 61 热设计计算 热量 热阻 温度 热设计计算 热设计的三要素 热量 温度 热阻 已知热量 温度求热阻 2020 4 24 62 热量的确定 小功率器件 热耗为功耗的75 电源模块 热耗为功耗70 95 为设计保险计 热耗可以直接取功耗值 下图是TIMOSFETucc27423的规格书中关于热耗参数说明的例子 2020 4 24 63 温升的确定 根据使用环境要求 确定环境温度根据器件安全性和功能性要求 确定器件容许温度器件容许温度和环境温度之差即为温升 例如 家用电器外壳容许温度 45 手持式电子产品外壳容许温度 40 芯片允许最高节温150 为安全计