电子产品散热设计

YEALINK产品热设计VCS项目散热预研欧国彦2012-12-4热设计、冷却方式、散热器、热管技术电子产品的散热设计一、为什么要进行散热设计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。高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。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。二、散热设计的目的控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。三、散热设计的方法1、冷却方式的选择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（如下图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。大部分散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，查下图得出金属传导冷却可满足要求按照上图，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；0.43～O.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。2、散热器的选择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，我们就可以随便选择风扇转速呢，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，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。3、散热器的设计方法3.1、散热器设计的步骤通常散热器的设计分为三步a:根据相关约束条件设计处轮廓图。b:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。c:进行校核计算。3.2、自然冷却散热器的设计方法3.2.1、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。3.2.2、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。3.2.3、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。3.2.4、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5mm以上。3.3、强迫冷却散热器的设计方法3.3.1、在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm。3.3.2、增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。3.3.3、采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热齿间的对流换热系数。3.3.4、当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对表面换热的影响。3.4、在一定冷却条件下，所需散热器的体积热阻大小的选取方法3.5、在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最佳间距的大小的方法3.6、不同形状、不同的成型方法的散热器的热传递效率比较的大小的方法不同冷却条件下对应的散热器体积热阻50-805.0m/s(1000CFM)80-1502.5m/s(500CFM)150-2501.0m/s(200CFM)500-800自然冷却散热器体积热阻℃－cm3/W冷却条件注意：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。不同冷却条件及流向长度与散热齿片最佳齿间距的关系3.532.525.0m/s(1000)543.32.52.5m/s(500)76541.0m/s(200)13107.56.5自然冷却30022515075流向长度(mm)冷却条件3.7、散热器的相似准则数及其应用方法3.7.1、相似准则数的定义3.7.2、相似准则数的应用表1不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率很高78－90针装散热器/钎焊/插片成型散热器(冷板散热器)高45－48小齿间距铝型材较高25－32铲齿散热器较低15－22带翅片的压铸散热器/常规铝型材低10－18冲压件/光表面散热器成本参考传热效率，％散热器成型方法3.8、散热器的基本的优化方法3.9、不同风速下散热器齿间距选择方法3.10、优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式3.11、辐射换热的考虑原则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。②对于强迫风冷，由于散热表面的平均温度较低，一般可忽略辐射换热的贡献。③如果物体表面的温度低于50℃，可不考虑辐射换热的影响。④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，如下图所示。辐射传热要求辐射表面必须彼此可见。4、风路的设计方法4.1、自然冷却的风路设计4.1.1、设计要点：机柜的后门(面板)不须开通风口。底部或侧面不能漏风。应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽应垂直于水平面。对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口。4.1.2、典型的自然冷机柜风道结构形式4.2、强迫冷却的风路设计4.2.1、设计要点：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.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，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。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。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。风道的设计原则风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；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，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；4.2.2、电源系统典型的风道结构-吹风方式4.2.3、电源系统典型的风道结构-抽风方式5、热设计的思路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。5.1、降耗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。5.2、导热导热的设计规范比较多，挑一些比较常见的罗列具体如下：A、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；B、避免将通风孔及排风孔开在机箱顶部朝上或面板上；C、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；D、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；E、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；F、热管安装在热源上方且