电子产品热设计规范

电子产品的热设计标准1概要1.1散热设计的目的以适当可靠的方法控制产品内部所有电子元件的温度，使其不超过稳定运行要求的最高温度，保证产品正常运行的安全性、长期运行的可靠性。1.2热设计的基本问题1.2.1消散的热量决定了温度上升，因此也决定了任意规定结构的温度1.2.2热量通过热传导、对流及辐射传递，以各种形式传递的热量与其热阻成反比1.2.3热、热阻和温度是热设计中的重要参数1.2.4所有冷却系统最简单、最经济，应符合特定的电力和机械、环境条件，同时满足可靠性要求1.2.5热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，发生矛盾时应进行权衡分析，解决权衡问题1.2.6热设计允许大误差1.2.7热设计中应考虑的因素：包括结构和尺寸电力消耗产品的经济性根据要求零件的低效率的温度极限电路布局工作环境1.3遵循的原则1.3.1热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾1.3.2热设计应符合相应的国际、国内标准和行业标准1.3.3热设计应满足产品可靠性要求，保证设备内零件在设定的热环境中长期正常工作。1.3.4各部件参数的选择、安装位置和方式必须满足散热要求1.3.5在规定的使用期限内，冷却系统(例如风扇等)的故障率应低于部件的故障率1.3.6进行热设计时，应考虑相应的设计馀量，以避免使用过程中情况变化导致的热耗散和流动阻力的增加。1.3.7热设计不能过度扩大散热馀量，尽量使用自然对流和低旋转风扇等可靠性高的冷却方式。 使用风扇冷却时，请确保噪音指标符合标准。1.3.8热设计考虑产品经济性指标，在保证散热的基础上，结构简单、可靠、体积最小、成本最低。1.3.9冷却系统应便于监测和维护2热设计基础2.1术语2.1.1温度上升机柜内的空气温度或零件温度与环境温度之差。 如果忽略温度变化对空气产生的非线性影响，则可以通过将在一般的环境温度下(例如空调室27)测量的温度上升量直接加到可能的环境温度中，来获得最坏环境下的设备近似温度。 例如，在空调室内测量的某个设备的温度上升到40时，在55的最高环境温度下，该设备的温度为95。2.1.2耗热量零件正常运作时产生的热量。 热耗不等于功耗，功耗意味着装置的输入功率。 一般而言，电子部件效率低，大部分功率转换为热。 在计算零部件的温度上升时，必须根据其消耗功率和效率来计算热消耗量。 在仅知道粗略的消耗电力的情况下，认为在小的电力设备中，热消耗量等于消耗电力，在大的消耗电力设备中，热消耗量接近消耗电力的75%。 实际上，为了使设计有富馀，有时也会用电力直接计算。 但请注意，电源单元效率高，一般为70%95%。 对于相同的电源单元，输出功率越小效率越低。2.1.3热流密度单位面积的传热量，单位W/m2。2.1.4热阻热流路径上遇到的电阻反映介质或介质之间传热能力的幅度，所述电阻表示由于1瓦特热引起的温度上升的幅度，并且所述单位为/W或K/W。 在热消耗上施加热阻，可以得到这条传热路径的温度上升。简单的模拟可以说明热阻的含义，换热相当于电流，温差相当于电压，热阻相当于电阻。以下是用于对几个单片零件进行热分析的重要热阻概念，这些热阻参数通常由零件制造商根据标准实验测量提供，可在零件的用户手册中进行检测2.1.4.1与空气热阻Rja接合从部件的热源接合(junction )到周围的冷却空气(ambient )的总热阻乘以其发热量，得到部件的温度上升。2.1.4.2与壳体热阻Rjc接合零件的热源与封装壳体接合之间的热阻，通过乘以发热量得到接合与壳体的温度差。2.1.4.3接合板热阻Rjb部件的接合和PCB基板之间的热阻，通过乘以通过单板传导热的散热量，得到接合和单板之间的温度差。2.1.5热传导率表示材料热传导性能的参数指标表示单位时间、单位面积、负温度梯度下的热传导量，单位为W/m.K或W/m.2.1.6对流换热系数反映了两介质间对流换热过程的强弱，流体与壁面的温差为1 时，单位时间内通过单位面积的热量，单位为W/m .K或W/m .2.1.7层流和湍流(湍流)层流是指流体呈有序、有序流动，换热系数小，热阻大，流动阻力小湍流是指流体不规则，呈交错流动，换热系数大，热阻小，流动阻力大。 层流和湍流状态一般由雷诺数来确定。 在热设计中，尽量使热消耗大的关键部件周围的空气流入紊流状态。 因为湍流时的热交换系数是层流的数倍。2.1.8流阻反映流体在某条通道中流动时产生的静压差。 单位帕斯卡或In. water2.1.9黑度实际物体的放射力与同温度下的黑体的放射力之比在01之间。 取决于物体的种类、表面状况、表面温度和表面颜色。 表面粗糙，无光泽，黑色大，辐射散热能力强。2.1.11雷诺数Re(Reynlods )雷诺数的大小反映了空气流动时的惯性力和粘性力的相对大小，雷诺数是说明流体流动状态的类似基准数。 其定义一般为式中的u为空气流速，单位为m/s的d为特征尺寸，单位为m，根据具体的对象结构状况取值的运动粘度，单位为m2 /s。2.1.12普朗克数Pr(Prandtl )普朗克数是解释流体物理性质对换热影响的类似基准数。 空气的Pr数可以根据定性温度直接从物性表中检测出来。2.1.13空格数Nu(Nusseltl )反映相同流体不同时对流换热的强弱，是说明对流换热强弱的类似标准数。 其定义一般为，h为热交换系数，单位W/m2.； d为特征尺寸热传导率，单位为W/m.。2.1.14风扇的特性曲线通风机以一定转速工作，静压变化为风量的关系曲线。 如果风扇出风口完全可见，风量为零，静压最高的风机未与任何风道连接，则静压为零，风量为最大2.1.15系统的电阻特性曲线系统(或风道)阻力特性曲线：流体在风道中流动引起的压力降随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。2.1.16通风机的工作点系统(风路)的特性曲线和鼓风机的静压曲线的交点是鼓风机的动作点。2.1.17测速头一般而言，空气动压头用作电子设备壳体的压降的惯用基准，空气密度，u定义为空气流速。 风道中空气的静压损失是速度头乘以阻力损失系数得出的。2.2传热的基本方式和传热方程传热有三种方法：热传导、对流和辐射。 它们可以单独发生，也可以以两种或三种形式同时发生2.3加强散热的方法以下具体的散热增强方式实际上基于上述三个基本的热传递方程式来增加散热量2.3.1增加有效散热面积。 例如，将在芯片表面安装有散热器的热量经由引线或热传导绝缘材料导入PCB基板，从周围的PCB基板的表面散热。2.3.2可增加表面流动的风速，增加换热系数。2.3.3破坏层流边界层，增加干扰。 紊流的换热强度是层流的数倍，吸引时风路横截面上的速度分布比较均匀，风速较低，一般在层流状态下，换热回避面上的不规则隆起破坏层流状态，强化换热，针状散热器与散热片的换热面积相同，其原因是换热量增加了30%。 吹风时，风扇出口风速分布不均匀，有主流方向，局部风速高，一般在湍流状态下，局部换热强，但应注意逆流低速区域换热差。2.3.4尽量减小热传导界面的接触热阻。 接触面可采用热传导性硅橡胶(绝缘性好)或铝箔等材料。2.3.5减少散热热阻。 位于屏蔽罩等封闭狭窄空间的单板设备主要通过空气有限的自然对流和热传导、辐射来散热，由于空气的热传导率小，因此热阻大。 用热传导绝缘垫片使器件的表面和金属壳体的内侧接触，热阻大幅度降低，温度上升变小。3自然对流换热发热表面温度上升到40以上时，热流密度不足0.04W/cm的话，一般不使用风扇就可以用自然对流冷却。 自然对流主要是通过空气因热膨胀而产生的浮力，使空气不断在发热表面流动，实现散热。 这种换热方式不需要辅助设备，不需要维护，成本最低。 不要使用风扇，除非热设计和热测试表明系统可以通过自然对流充分散热。设计不当，零件温升过高，应采用风扇。 合理全面的自然对流热设计应考虑以下问题3.1部件布局是否合理配置部件时，应将无耐热性的部件放置在靠近吸气口的位置，而且电力大、发热量大的部件的上游，应尽量远离高温部件，避免辐射的影响，如果不远离，则隔热板(研磨后的金属薄板、黑度越小越好) 也可以用隔板隔开自身发热，将具有耐热性的元件放置在靠近吹出口的位置或上部，一般来说，应该将热流密度高的部件放置在边缘和顶部，放置在靠近吹出口的位置，但在不能承受高温的情况下，放置在吸入口附近， 尽量注意与其他发热元件和感热元件在空气的上升方向上错开位置，大功率的部件尽量分散布局，尽量均匀地排列不使热源集中的大小不同的部件，使风阻均匀，使风量分布均匀。单板上零件的布局应根据各零件的参数和使用要求综合确定。3.2是否有足够的自然对流空间零件与零件之间，零件与结构零件之间要保持一定的距离，通常至少要13mm，使空气流通良好，加强对流换热。垂直放置的基板上的零件和相邻的单板之间的间隙至少是19mm。 换气口应尽量远离，避免气流短路，换气口应尽量适应散热要求高的部件。3.3热传导的传热路径是否充分利用由于自然对流的热交换系数低，一般为210W/m ，元件的表面积小或空间小，对流不能充分时，散热量小。 在这种情况下，尽可能采用热传导方法，用热传导率高的金属或热传导绝缘材料(例如，热传导硅胶、云母、热传导陶瓷、热传导垫等)将元件连接到壳体或冷却板上，并通过更大的表面积来释放热。3.4散热器的使用对于各个热流密度高的部件，如果自然对流时的温度上升过高，可以设计或选择散热器来增加散热面。3.5是否充分利用辐射的传热途径高温元件通过辐射可以将一些热传递到壳体，壳体对辐射热的吸收强度与表面的黑度成比例。 表面粗糙度越高，黑度越高，但颜色对黑度的影响并不像一般认为的那样明显。 筐体表面涂装后，黑度非常高，接近1 . 在密闭的壳体中，壳体内外面的涂装与不涂装的情况相比，零件的温度上升平均下降10%左右。3.6其他冷却技术由于高热流密度零件附近的空间有限，无法安装大型散热器，因此可以采用冷却管，将热量导入其他有足够空间安装散热器的地方。综合考虑这些问题，有很多不同的结构配置方案，一般理论公式很难分析有限空间的复杂流动和热交换，也很难比较方案的好坏。 采用热设计仿真分析软件，对机箱/箱体建模分网格进行计算，然后简单改变布局方案进行重新计算，比较不同方案的计算结果，可以得到最佳方案和满意方案。 国外许多通信公司采用这样的软件帮助新产品的热设计，使一些产品不再使用风扇的热量。4强制对流换热-风扇冷却散热面热流密度超过0.08W/cm时，必须强制空冷散热。 强制空冷在本公司产品中应用最多。 在某些情况下，风扇可以散热，但散热器和机箱的体积会增加，风扇冷却可以大大减少体积。4.1风道的设计强制空冷中风道的设计很重要。 以下是设计的基本原则，尽量采用直通风道，避免气流弯曲。 在气流急剧弯曲的地方，采用挡板使气流慢慢转向，使压力损失最小。 尽量避免急剧扩大和急剧收缩。 尽量远离风口，防止气流短路。 机柜的面板、侧板、后板一般不特别要求打开通风孔来防止气流短路。 为了使上游盒的热量被带入下游盒，不影响其散热，可以采用独立的管道来分离散热。 风道设计应保证盒式单板或模块散热均匀，防止回流区和低速区发生热点。 并联风路应根据各风路的散热量要求分配风量，避免风路阻力的不合理配置应避免风路的高低压区域短路4.2吸风与送风的区别4.2.1吹塑的优缺点a .风扇出口附近的气流主要是湍流流动，局部热交换强，发热部件比较集中的情况下，必须面向风扇主要出口集中的发热部件。b .送风时，机柜内形成正压，防止灰尘从间隙进入机柜/机箱。c .风扇不受系统散热量的影响，在低空气温度下工作，风扇寿命长。d .由于送风具有一定的方向性，因此在盒截面整体上送风量变得不均匀。e .在风扇HUB附近和并联风扇之间的位置存在部分逆流和低速区域，热交换差，因此优选将风扇和箱保持在50mm以上的间隔，使送风均匀化。4.2.2吸入风的特征a .适用于送风均匀、发热部件分布均匀、风路复杂的情况。b .进入风扇的流动主要是层流状态。c .风扇在出风口高温气流下工作，影响寿命。d .机柜内产生负压，间隙灰尘进入机柜/机柜。4.3风扇选型设计4.3.1风扇种类通信产品使用的风扇有轴流(Axial )、离心(Radial )、混流(Mixed-flow种。 轴流风扇风量大，风量低，曲线中间平坦的转换区域是轴流风扇特有的不稳定工作区域，一般避免风扇在该区域工作。 最佳工作空间位于低风压、大流量的场所。 如果系统阻力大，也可以利用高风压、低流量的工作空间，但请注意风量是否达到设计值。 离心风扇的入风方向垂直，风压大，风量低是其特征，在曲线中压力高的区域工作是理想的。 混流风扇的特征在于轴流和离心之间，送风方向和送风有倾斜角度时，风量立即扩散到插座的各个角落，风压和风量也大，但风扇HUB的直径大，与轮毂接触的部分风速低，逆流剧烈。4.3.2风扇与系统的匹配空气在风路中流动时会产生压力损失。 系统的压力损失包括沿道阻力损失和局部阻力损失。 沿道损失是气流相互运动产生的阻力和气流与壁面和单板的摩