钢质散热器选择及散热计算

1、钢质散热器选择及散热计算钢质散热器价格选择及散热计算金旗舰散热计算任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部，经散热器将热量散到周

2、围空间。若没有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热。热量在传递过程有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为RJC，器件底部与散热器之间的热阻为RCS，散热器将热量散到周围空间的热阻为RSA，总的热阻RJA="R"JC+RCS+RSA。若器件的最大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，可以按下式求出允许的总热阻RJA。RJA(TJ-TA)/PD则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻RSA为RSA(T_J-T_AoverP_D)-(RJC+RCS)出于为设计留有余地的考虑，一般设TJ为125。环境温度也要考虑较坏的情况，一般设TA=4060。

3、RJC的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。RCS的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其RCS典型值为0.10.2/W;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其RCS可达1/W。PD为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，RSA可以计算出来，根据计算的RSA值可选合适的散热器了。散热器简介小型散热器(或称散热片)由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成，而大型散热器由铝合金挤压形成型材，再经机械加工及表面处理制成。它们有各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。散热器一般是标准件，也可提供型材

4、，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高1015%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500800V。散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。计算实例一功率运算放大器PA02(APEX公司产品)作低频功放，其电路如图1所示。器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如下:工作电压VS为18V;负载阻抗RL为4，工作频率直流条件下可到5kHz，环境温度设为40，采用自然冷却。查PA02器件资料可知:静态电流IQ典型值为27mA，最大

5、值为40mA;器件的RJC(从管芯到外壳)典型值为2.4/W，最大值为2.6/W。器件的功耗为PD:PD=PDQ+PDOUT式中PDQ为器件内部电路的功耗，PDOUT为输出功率的功耗。PDQ=IQ(VS+|-VS|)，PDOUT=V2_S/4RL，代入上式PD=IQ(VS+|-VS|)+V2_S/4RL=37mA(36V)+18V2/44=21.6W 式中静态电流取37mA。散热器热阻RSA计算:RSA(T_J-T_AoverP_D)-(R_JC+R_CS)为留有余量，TJ设125，TA设为40，RJC取最大值(RJC="2".6/W)，RCS取0.2/W，(PA02直接安

6、装在散热器上，中间有导热油脂)。将上述数据代入公式得RSA125-40over21.6W-(2.6/W+0.2/W)1.135/WHSO4在自然对流时热阻为0.95/W，可满足散热要求。 注意事项1.在计算中不能取器件数据资料中的最大功耗值，而要根据实际条件来计算;数据资料中的最大结温一般为150，在设计中留有余地取125，环境温度也不能取25(要考虑夏天及机箱的实际温度)。2.散热器的安装要考虑利于散热的方向，并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进入，热空气从顶部散出)。3.若器件的外壳为一电极，则安装面不绝缘(与内部电路不绝缘)。安装时必须采用云母垫片来绝缘，以防止短路。

7、4.器件的引脚要穿过散热器，在散热器上要钻孔。为防止引脚与孔壁相碰，应套上聚四氟乙稀套管。5.另外，不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻，可供设计时参改，即在实际应用中可参照这些散热器的热阻来计算，并可采用相似的结构形状(截面积、周长)的型材组成的散热器来代用。6.在上述计算中，有些参数是设定的，与实际值可能有出入，代用的型号尺寸也不完全相同，所以在批量生产时应作模拟试验来证实散热器选择是否合适，必要时做一些修正(如型材的长度尺寸或改变型材的型号等)后才能作批量生产。印制电路板的热设计及其实施前言随着电予产品的轻薄小型化、高性能化，IC器件高集成化、引发印制电路板的集成度提高，发热量明显

8、加大，特别是高频IC器件如AD，DA类的大量使用以及电路频率点的上移，PCB的热密度越来越大，如果散热问题解决不好，势必引起电路中半导体器件以及其它热敏感器件温度的升高，导致电路工作点的漂移和性能指标的下降，影响电路的稳定性和可靠性；特别对于机载、星载这类特殊环境中工作的电路，。热设计不合理可能会引发整个系统的失效，因此必须高度重视板级电路的热设计。PCB热设计的目的是采取适当的措施和方法降低元器件的温度和PCB板的温度，使系统在合适的温度下正常工作。本文主要从减少发热元件的发热量及加快散热等方面探讨板级电路热设计及其实现方法。1减小发热量PCB中热量的来源主要有三个方面：(1)电子元器件的发

9、热；(2)P c B本身的发热；(3)其它部分传来的热。在这三个热源中，元器件的发热量最大，是主要热源，其次是PCB板产生的热，外部传入的热量取决于系统的总体热设计，这不在本文讨论范围。图1元器件的发热量是由其功耗决定的，因此在设计时首先应选用功耗小的元器件，尽量减小发热量。其次是元器件工作点的设定，一般应选择在其额定工作范围，在此范围内工作时性能佳，功耗小，寿命最长。功放类器件本身发热量就大，设计时尽量避免满负荷工作。对于大功率器件应贯彻降额设计的原则，适当加大设计富裕度，这无论是对于加大系统稳定性、可靠性和降低发热量都有好处。 PCB板由于线路本身电阻发热，以及交流、高频激化生热。PCB是

10、由铜导体和绝缘介质材料组成，一般认为绝缘介质材料不发热。铜导体图形由于铜本身存在电阻，当电流通过时就发热，象mA(毫安)、uA(微安)级那样的小电流通过时，发热问题可忽略不计，但当大电流(百毫安级以上)通过时就不能忽视。金属板嵌入多层印制板的中间，其典型结构如图7金属芯板本身也可作为地层使用，其上下层可通过金属化孔(与芯板绝缘)互联，并通过导热孔实现热量在金属芯板内层和表面的传递。如图7所示，发热元件可通过底部和导热孔直接焊接在板面上，发热器件产生的热直接传递到金属芯板，由金属芯板经导热孔传给接触的安装机箱而散发出去；热量较大时可铣去芯板两边的绝缘层，通过边缘裸露的金属芯板与机座接触散热，因此

11、具有良好的散热效果。对处于密闭机箱中的电路散热是一种较好的选择金属芯PCB的芯材通常有铝、铜、钢等，后来开发出了覆铜因瓦复合材料(CIC)，它不仅具有良好的导热性，而且其热膨胀系数与半导体器件匹配性好，所制成的CIC金属芯板可应用于要求高可靠性、高组装密度、高功率、高性能的军用电子设备中。在调试或维修电路的时候，我们常提到一个词“*烧了”，这个*有时是电阻、有时是保险丝、有时是芯片，可能很少有人会追究这个词的用法，为什么不是用“坏”而是用“烧”？其原因就是在机电产品中，热失效是最常见的一种失效模式，电流过载，局部空间内短时间内通过较大的电流，会转化成热，热*不易散掉，导致局部温度快速升高，过高

12、的温度会烧毁导电铜皮、导线和器件本身。所以电失效的很大一部分是热失效。那么问一个问题，如果假设电流过载严重，但该部位散热极好，能把温升控制在很低的范围内，是不是器件就不会失效了呢？答案为“是”。由此可见，如果想把产品的可靠性做高，一方面使设备和零部件的耐高温特性提高，能承受较大的热应力（因为环境温度或过载等引起均可）；另一方面是加强散热，使环境温度和过载引起的热量全部散掉，产品可靠性一样可以提高。下面介绍下热设计的常规方法。我们机电设备常见的是散热方式是散热片和风扇两种散热方式，有时散热的程度不够，有时又过度散热了，那么何时应该散热，哪种方式散热最合适呢？这可以依据热流密度来评估，热流密度=热

13、量 / 热通道面积。按照GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册的规定（如图1），根据可接受的温升的要求和计算出的热流密度，得出可接受的散热方法。如温升40（纵轴），热流密度0.04W/cm2（横轴），按下图找到交叉点，落在自然冷却区内，得出自然对流和辐射即可满足设计要求。大部分热设计适用于上面这个图表，因为基本上散热都是通过面散热。但对于密封设备，则应该用体积功率密度来估算，热功率密度=热量 / 体积。下图（图2）是温升要求不超过40时，不同体积功率密度所对应的散热方式。比如某电源调整芯片，热耗为0.01W，体积为0.125cm3，体积功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3，

14、查下图得出金属传导冷却可满足要求。(温升要求为40度时，根据体积功率密度的不同，选择适宜的冷却方式。适用于密封单元的冷却)按照上图，可以得出冷却方法的选择顺序：自然冷却一导热一强迫风冷一液冷一蒸发冷却。体积功率密度低于0.122W/cm3传导、辐射、自然对流等方法冷却；0.122-0.43W/cm3强迫风冷；0.43O.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸发冷却。注意这是温升要求40时的推荐参考值，如果温升要求低于40，就需要对散热方式降额使用，0.122时就需要选择强迫风冷，如果要求温升很低，甚至要选择液冷或蒸发冷却了。这里面还应注意一个问题，是不是强迫风冷能满足散热要求，我们就可以随便

15、选择风扇转速呢，就好像说某件工作，专科学历的知识水平即可胜任，是不是随便抓个大专生就能做好呢，当然不是，风扇的转速与气流流速有直接关系，这里又涉及一个新概念热阻。热阻=温度差 / 热耗 （单位/W）热阻越小则导热性能越好，这个概念等同于电阻，两端的温度差类似于电压，传导的热量类似于电流。风道的热阻涉及流体力学的一些计算，如果我们在热设计方面要求不是很苛刻，可通过估算或实验得出，如果要求很苛刻，可以查阅GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册，里面有很多系数、假设条件的组合，三言两语说不清楚，个别系数我也没搞明白如何与现实的风道设计结合，比如，风道中有一束电缆、风道的壁不是均匀的金属板，而

16、是有高低不平带器件的电路板，对一些系数则只能估算了，最准确的方式反而是实验测量了。热阻更多的是用于散热器的选择，一般厂家都能提供这个参数。举例，芯片功耗20W，芯片表面不能超过85，最高环境温度55，计算所需散热器的热阻R。 计算：实际散热器与芯片之间的热阻近似为0.1/W，则(R+0.1)=(85-55) /20W，则R=1.4/W。依据这个数值选散热器就可以了。这里面注意一个问题，我们在计算中默认为热耗芯片功率，对一般的芯片，我们都可以这样估算，因为芯片中没有驱动机构，没有其他的能量转换机会，大部分是通过热量转化掉了。而对于电源转换类芯片或模块，则不可以这样算，比如电源，它是一个能源输出，

17、它的输入电量一部分转化成了热，另外很大部分转化成电能输出了，这时候就不能认为热耗功率。以上部分是定量设计部分的内容，在有了一个定量的设计指导后，也有一些具体的工程技巧来帮助实现理论计算结果的要求。 一般的热设计思路有三个措施：降耗、导热、布局。降耗是不让热量产生；导热是把热量导走不产生影响；布局是热也没散掉但通过措施隔离热敏感器件；有点类似于电磁兼容方面针对发射源、传播路径、敏感设备的三个措施。降耗是最原始最根本的解决方式，降额和低功耗的设计方案是两个主要途径，低功耗的方案需要结合具体的设计进行分析，不予赘述。器件选型时尽量选用发热小的元器件，如片状电阻、线绕电阻(少用碳膜电阻)；独石电容、钽

18、电容(少用纸介电容)；MOS、CMOS电路(少用锗管)；指示灯采用发光二极管或液晶屏(少用白炽灯)，表面安装器件等。除了选择低功耗器件外，对一些温度敏感的特型元件进行温度补偿与控制也是解决问题的办法之一，尤其是放大电路的电容电阻等定量测量关键器件。降额是最需要考虑的降耗方式，假设一根细导线，标称能通过10A的电流，电流在其上产生的热量就较多，把导线加粗，增大余量，标称通过20A的电流，则同样都是通过10A电流时，因为内阻产生的热损耗就会减小，热量就小。而且因为降额，在环境温度升高时，器件性能下降情况下，但因为有余量，即使性能下降，也能满足要求，这是降额对于增强可靠性的另一个作用，将是另一篇博客

19、文章的内容。导热的设计规范比较多，挑一些比较常见的罗列：1.进风口和出风口之间的通风路径须经过整个散热通道，一般进风口在机箱下侧方角上，出风口在机箱上方与其最远离的对称角上；2.避免将通风孔及排风孔开在机箱顶部朝上或面板上；3.为防止气流回流，进口风道的横截面积应大于各分支风道截面积之和；4.对靠近热源的热敏元件，采用物理隔离法或绝热法进行热屏蔽。热屏蔽材料有：石棉板、硅橡胶、泡沫塑料、环氧玻璃纤维板，也可用金属板和浇渗金属膜的陶瓷；5.将散热>1w的零件安装在机座上，利用底板做为该器件的散热器，前提是机座为金属导热材料；6.热管安装在热源上方且管与水平面夹角须>30度；7.PCB

20、用多层板结构（对EMC也有非常非常大的好处），使电源线或地线在电路板的最上层或最下层?8.热源器件专门设计在一个印制板上，并密封、隔离、接地和进行散热处理；9.散热装置(热槽、散热片、风扇)用措施减少热阻：(1)扩大辐射面积，提高发热体黑度；(2)提高接触表面的加工精度，加大接触压力或垫入软的可展性导热材料；(3)散热器叶片要垂直印制板；(4)大热源器件散热装置直接装在机壳上；10.密封电子设备内外均涂黑漆可辅助散热；为避免辐射热影响热敏器件、热源屏蔽罩内面的辐射能力要强（涂黑），外面光滑（不影响热敏器件），通过热传导散热。11.密封电子设备机壳内外有肋片，以增大对流和辐射面积。12.不重复使

21、用冷却空气；13.为了提高主要发热元件的换热效率、可将元件装入与其外形相似的风道内。14.抽鼓风冷却方式的选择?15.风机的选择?16.被散热器件与散热器之间充填导热膏(脂)，以减小接触热阻；17.被散热器件与散热器之间要有良好的接触，接触表面光滑、平整，接触面粗糙度Ra6.3m；18.辐射是真空中传热的唯一方法，1确保热源具有高的辐射系数，如果处于嵌埋状态，利用金属传热器传至冷却装置上；2增加辐射黑度；3增加辐射面积s；4辐射体对于吸收体要有良好的视角，即角系数要大；5不希望吸收热量的零部件，壁光滑易于反射热。19.机壳表面温度不高于环境温度1020.液体冷却设计注意事项?21.半导体致冷适用于?22.变压器和电感器热设计检查项目?23.减小强迫对流热阻的措施?24. 降低接触热阻的措施?布局：1.元器件布局减小热阻的措施：(2)元器件安装在最佳自然散热的位置上；(2)元器件热流通道要短、横截面要大和通道中无绝热或隔热物；(3)发热元件分散安装；(4)元器件在印制板上竖立排放。2.元器件排放减少热影响：(1)有通风口的机箱内部，电路安装应服从空气流动方向：进风口放大电路