电子产品热设计培训稿

电子设备热设计培训Oct31th,2017一．热设计基本知识二．热设计的方法三．自然对流热设计四．强迫对流热设计五．机箱的热设计六．产品热设计检查2目录3一、热设计基本知识热量产生的原因工作过程中，功率元件耗散的热量。电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传递给电子设备。电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。4一、热设计基本知识热设计的目的电子设备的热设计是指利用热传递特性对电子设备的耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计，以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作。热传递的方式：传导、对流、辐射。5一、热设计基本知识热设计的有关概念（1）热设计利用热传递特性通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。（2）热评估评估电子设备热设计是否合理的方法和手段。（3）热分析又称热模拟，是利用数学的手段，通过计算机模拟，在电子设备的设计阶段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障。（4）热试验将电子设备置于模拟的热环境中，测量其温度或温度分布。6一、热设计基本知识热设计的有关概念（5）热流密度单位面积的热流量。（6）体积功率密度单位体积的热流量。（7）热阻热量在热流路径上遇到的阻力（内热阻、外热阻、系统热阻）。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ热阻的单位是℃/W。7一、热设计基本知识热设计的有关概念（8）热阻网络热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。（9）功耗电子设备工作时需要电功率，因为元器件并非完全有效，因而有不少功率转换成热。如果找不到一条通路来散热，温度就会升高。这个热流量就是功耗。（10）冷板利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。（11）热沉是一个无限大的热容器，其温度不随传递它的热能大小而变化。它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙等。又称热地。也称“最终散热器”。8二、热设计的方法电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设备所处的环境条件确定热设计目标，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度，根据热设计目标及设备的结构、体积、重量等要求进行热设计，主要包括冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板散热结构的设计和机箱散热结构的设计。9二、热设计的方法（一）热设计目标的确定热设计目标通常根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来确定，已知设备的可靠性指标，依据GJB/299B－1998《电子设备可靠性预计手册》中元器件失效率与工作温度之间的关系，可以计算出元器件允许的最高工作温度，此温度即为热设计目标。工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。10二、热设计的方法（一）热设计目标的确定工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。（对额定结温为125℃的功率器件,工作结温小于100℃.一般按0.8算）双极型数字电路降额准则降额参数降额等级ⅠⅡⅢ频率0.800.900.90输出电流0.800.900.90最高结温℃8510011511二、热设计的方法（二）常用冷却方法的选择和设计要求电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。12二、热设计的方法（三）热设计遵循的原则（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。（2）热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标准。（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。（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。a、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。b、根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。c、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。13二、热设计的方法（三）热设计遵循的原则（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。（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。（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。（8）采用强迫风冷的条件：在常压下，强迫风冷的应用范围为0.04-0.31w/cm²，小于0.04w/cm²采用自然冷却，大于0.31w/cm²须采用水冷或其它表面冷却。14二、热设计的方法（四）常用冷却方法的热流密度冷却方法热流密度（W/cm2）自然对流0.08强迫风冷0.3空气冷却板1.6液体对流冷却0.5液体冷却板160蒸发冷却77015二、热设计的方法（四）常用冷却方法的体积功率密度常用冷却方法的优选顺序：自然散热、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却16二、热设计的方法冷却方法的选择示例：功耗为300W的电子组件，拟将其安装在一个248mm×381mm×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜进行特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然对流冷却就足够了。17三、机箱自然对流热设计影响自然对流冷却的主要因素印制板的间距电子元件耗散功率及布局自然对流换热表面传热系数机箱表面和环境空气之间的温差机箱表面积18三、机箱自然对流热设计（一）印制板之间的合理间距19三、机箱自然对流热设计（二）选择功率器件时的热设计原则（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）。（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)。（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。（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）对于IGBT器件，在结壳热阻Rjc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。20三、机箱自然对流热设计（三）元器件布局的热设计原则（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。（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。（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.21三、机箱自然对流热设计（三）元器件布局的热设计原则（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）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。（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。（7）对热敏感元件，在结构上应采用“热屏蔽”方法解决。22三、机箱自然对流热设计（四）元器件安装设计原则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。（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。（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。（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。（4）把器件装配在散热器上时，应按一定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。（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阻。这些小孔就是热通路或称热道。（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。a.尽可能增大接触面积。b.确保接触表面平滑。c.利用软材料接触。d.扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)。e.利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀。23三、机箱自然对流热设计（五）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)。(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右图进行选择。24三、机箱自然对流热设计（五）PCB板的热设计原则（2）印制板的散热设计a.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。b.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。c.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。d.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。e.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。25三、机箱自然对流热设计（五）PCB板的热设计原则（2）印制板的散热f.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：26三、机箱自然对流热设计（五）PCB板的热设计原则（3）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。27三、机箱自然对流热设计（六）散热器的选择与设计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/cm2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/cm2可采用自然冷却。28三、机箱自然对流热设计（六）散热器的选择与设计自然冷却散热器的设计要点附设于设备表面上的肋或伸展体，常用增加散热的有效面积。保证电子元器件电性能工作参数的稳定；保证电子元器件有足够的功率输出；因此，在设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、性能增加不多的前提下，广泛采用肋片式散热器，增大其换热量。（1）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。（2）合理选取散热器的结构形式，梯形肋三角形肋流线型肋；（3）为减小接触热阻，安装时应注意固紧压力的大小；提高接触面的加工精度；接触表面之间加导热衬垫。（4）散热器