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11深圳市中兴通讯股份有限公司质企中心可靠性部2000.6V2.12热设计的核心设计一个冷却系统,在热源至热沉之间提供一条低热阻通道,保证热量顺利传递出去23传导散热(热传递的三种途径)导热指物体直接接触时,通过分子间动能传递进行能量交换的现象Q=KA△t/LQ----传导散热量,WK----导热系数,W/m·℃A----导体横截面积,m2△t----传热路径两端温差,℃L----传热路径长度,m4对流换热(热传递的三种途径)对流换热是流体流过固体壁面时的一种能量交换现象Q=hA△tQ----对流散热量,WhC----换热系数,W/m2·℃A----有效换热面积,m2△t----换热表面与流体温差,℃35辐射换热(热传递的三种途径)辐射换热是通过电磁波传递热量的过程Q=ε·σ·T4Q----辐射散热量,Wε----散热表面辐射率,W/m2·℃σ----斯蒂芬-玻尔兹曼常数,5.67×10-8(W/m2K4)T----绝对温度,K6可靠性热设计方案对设备的总功耗进行估算,结合整机体积估算温升,预计整机发热区域,确定风扇选型及预留位置.对总体设计的单板分布进行商讨,在不影响电气设计的前提下合理调整.确定主要发热器件,预定散热措施.热设计方案实施对元器件,单板,系统结构的热设计措施作说明要求,对具体问题集中讨论解决,对进入调试的单板进行草测,发现问题,及时解决.设计初期热设计要求47整机温升的预计已知条件:整机工作温度范围整机外形尺寸(长宽高)整机预计功耗表面涂覆的辐射率通风口开孔面积等给定环境温度预计结果内容:整机内部温升通风散热量表面对流散热量表面辐射散热量整机功率体积密度等通过应用软件859示例某室外型移动基站产品使用的环境温度范围为-40℃至60℃,内部金属铸壳物理尺寸W-H-D为:350mm-450mm-100mm,表面是铸铝毛坯表面。设备总功耗约为220W,上下方各有50%面积的通风开孔,现在用本文介绍的方法估算其整机温升。另外,如果外壳采用抛光铝,温升有多大差异?哪一因素对降低温升作用较明显?(1)首先,将设备宽、高、深、初步预计功耗、通风口面积、表面发射率(黑度取0.6)填入表格相应位置,并保证单位正确。(2)环境温度-40℃至60℃,取一个“环境温度值。(3)通过软件计算“温升”值,及其它各种散热比例。结论:(1)在环境温度为-40℃至60℃范围内,整机温升为23℃左右。(2)将材料发射率更改为0.07,整机温升为26℃左右。可以发现这里表面材料对整机散热影响已经很小了。(3)调整通风口开孔尺寸到65%,整机温升为20℃左右。调整开孔到80%,整机温升为18℃左右。上下开孔为100%时,温升为16℃左右。10冷却方法选择611冷却方法选择要点1.保证冷却系统工作的可靠性。2.对密封设备要考虑内外两种热设计方案。3.冷却系统要便于使用维修,便于测试修理和更换器件。4.要求冷却系统结构简单,可靠,工艺性好,较经济,与设备成本比有一适当比例。冷却方法选择12冷却方法的选择冷却方法的选择冷却方法选择713各种冷却方法的比较参数辐射和自然对流强迫气冷强迫液冷相变典型热容量(W/m2)500(0.3)1.6*104(10)7.8*104(50)1.2*106(800)实现最易易最复杂易到难重量或体积高中低低到高噪声或振动无高低无到低功耗无高低无液体泄漏问题无一般无可能可能费用低中高高维修最易易复杂复杂冷却方法选择14以元器件散热为出发点元件失效率与温度关系815元器件温度与功率降额Q/ZX04001-1997元器件降额准则元器件散热分析16器件传热计算917元器件散热分析封装形式Θjc(℃/W)陶瓷双列直插28陶瓷扁平22金属圆壳70有机材料封装80结到管壳的热阻的参考值GJB/Z299B18元器件散热分析集成电路的热耗一般用VccIcc计算,通常塑封器件热阻高一些,具体可查阅器件手册。集成电路散热设计主要考虑以下几点:1.器件所在印制板的气流通路要良好。2.器件尽量靠近印制板上的大面积地层铜箔,借助地层做器件的“散热片”。3.尽可能多安放金属化过孔,依靠过孔将器件热量传导给其他层,帮助散热。1019散热器选用原则根据器件功耗、环境温度及允许最大结温(保证tｊ≤(0.5～0.8)tｊｍａｘ)来选择合适的散热器。器件与散热器的接触面应保持平整光洁,散热器的安装孔要去毛刺。器件与散热器和绝缘片间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片。型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装,以便于自然对流。散热器应进行表面处理,以增强辐射换热。应考虑体积、重量及成本的限制和要求。元器件散热分析20从电源模块使用看器件热分析元器件散热分析1121CC030A功耗-输出电流根据输入电压和输出电流来确定模块的功耗,对输出功率30W以上的模块考虑附加散热片元器件散热分析22环境温度-功耗根据环境温度和模块功耗来确定流过模块的风速要求元器件散热分析1223散热片选择图五为纵向肋片,图六为横向肋片元器件散热分析24元器件散热分析环境热阻和散热片确定所需要的空气流速1325PCB板的热设计原则单板和模块散热设计26整机散热设计1.确定整机的热耗和分布2.根据整机结构尺寸初步确定散热设计方案3.对确定的冷却方式进行分析(如强迫风冷的风机数量,选型,级联方式,风道尺寸,风量大小,控制方式等)4.针对分析结果可利用热分析软件进一步验证5.对散热方案进行调整进而最后确定1427某测试设备热分析该设备结构紧凑，功率密度大，散热要求高，风道设计讲究。整个设备结构分为被测模块、电源供电模块、散热风机及其风道三个主要部分。整机散热设计28一电源模块该设备电源模块在环境要求范围（0℃至50℃）内，最大输出功率为1000W。它提供了＋5V、＋12V、－12V、＋24V、－24V、－5.2V、-2V直流电压。该模块采用强迫风冷，进风口面积48cm2,出风口面积132cm2,该模块与整机其他部分隔离，这里不做重点分析。整机散热设计1529散热风机ebm单进口离心风机型号：R2G180-AB51-10供电：24VDC（16至28V工作）功耗：34W转速：1850转╱min风量估计最大为350m3/h,叶轮直径测为133mm(注：1L/s=10-3m3/s=3.6m3/h,L为升，L/s为liters/sec)整机散热设计30计算风量风压分析气流通路（如图），确定五个分析点，假设这五个点为静压损失最大点：1〕从机箱进风口进入设备2〕通过风机3〕收缩颈风道，进入楔型风道4〕90℃拐弯，进入被测模块5〕通过顶部出风口，90℃拐弯，从顶部两侧排出整机散热设计1631已知ta=25℃,假定⊿t=15℃,定性温升t=ta+⊿t/2=32.5℃查表知道ρ＝1.165kg/m3,Cp=1005J/kg·℃则计算气流重量流量W＝1000∕1005×15=66.3g/s计算体积流量Q＝W/ρ=0.0663/1.165=0.057m3/s=57l/s以上各点的风速Vi由风量比截面积得到。静压损失由各点速度与对应速度头相乘得出，各点速度头为()12772ViPi=tCWpΔ×Φ=整机散热设计32各点数据如下：静压损失Pi=KiPni(cmH2O)速度头Pni(cmH2O)风速V（cm/s）截面积A(cm2)11×Pn1=0.0150.01515437021×Pn2=0.0070.00710355530.5×Pn3=0.0760.151495.711542×Pn4=0.0280.014153.237251×Pn5=0.0080.008113505所以，总静压损失Ps=0.015+0.007+0.076+0.028+0.008=0.134(cmH2O)整机散热设计1733某传输设备热分析电源告警1电源告警2主子架风机组件其它图1机架风道分析选点7802600100300123564该设备的结构设计以原型机为基础,子架高度较原型机略高,功耗大于原型机(原型机为400W左右,该设备为1100W),散热方式仍采用强迫风冷的方式,机架分两种,这里以两米六机架为对象进行分析。34一.以原型机为基础对该设备进行分析1.确定风量假定环境温度Ta=45℃,内部空气温升ΔT=10℃,可得定性温升Td=Ta+ΔT/2=50℃,由此查得物性参数:比热:Cp=1005J/Kg.℃γ=1.093Kg/m3则气流重量流量为W=热功耗/(Cp×ΔT)=109.5g/s体积流量Q=W/γ=6.01m3/min=212.2CFM18352.分析气流通路根据机架具体风道变化,选择5个静压损失最大的点(如图1),分别为:(1)机架底部方形冲孔金属板;(2)风机盒花形冲孔;(3)通过风机:(4)穿过子架下侧入口;(5)穿过子架上侧出口;(6)通过机架顶部出风口.静压损失由各点速度与对应速度头相乘得出，各点速度头为如果使用4715KL风机,单机风量83至130CFM,应需要3个并联。各点数据如下：一.对该设备进行分析(续)()12772ViPi=静压损失Pi=KiPni(cmH2O)速度头Pni(cmH2O)风速V（cm/s）截面积A(cm2)11×Pn1=0.2740.27466815021×Pn2=0.9610.96112528031×Pn3=0.0760.07635128541×Pn4=0.0680.06833430051×Pn5=0.0680.06833430061×Pn6=0.2740.274668150所以，总静压损失Ps=Pn1+Pn2+Pn3+Pn4+Pn5+Pn6=1.721(cmH2O)=0.68in-H2O363.根据原型机使用的风机计算如果选用4715KL-B30风机,风机特性曲线如图2,用三个并联,风量可达240CFM以上,但风压最大只有0.27in-H2O,无法满足风道需要,即使再加一套风机盒与其串联,风压仍不能满足需要。如图3中曲线3。一.对该设备进行分析(续)00.050.10.150.20.250.3050100150200250300350图3风机并联图24715KL-B30风机特性曲线1937二.同样方法分析原型机气流重量流量为W=热功耗/(Cp×ΔT)=40g/s体积流量Q=W/γ=2.2m3/min=77.7CFM总静压损失Ps=Pn1+Pn2+Pn3+Pn4+Pn5+Pn6=0.244(cmH2O)=0.1in-H2O选用的4715KL-B30风机,风机特性曲线如图2,用两个并联,风量可达160CFM以上,风压有0.27in-H2O,满足风道需要,工作点见图3中曲线2,工作点风量160CFM,三个并联工作点风量为240CFM。三.对比分析:在第二节中对原型机分析结果与设计情况还有差距,结构人员反映原型机结构散热并不好,但缺乏实测数据。如果属实,两者的差别可能由以下三点引起:.功耗估计有误;.风机盒的通风口面积估算过大;.并联工作点风量计算偏大。假设该分析确实偏乐观,则反推该设备的散热状况更差,重点是风道压损大,散热风机风压小。其中降低风道压力损失的重点在风机盒的通风口。而解决风机风压的办法是换大风压的风机。38通过多种手段提高分析准确性以同类产品的分析和测试为分析依据以相似设备做参考近似的模拟试验全面的散热分析及风道分析利用专业软件进行系统的仿真分析2039热测试与热性能评价40热性能测量热性能测量的目的是对热设计的效果进行检验,对冷却系统的适用性和有效性进行评价,除了检查新设计的冷却系统是否达到预定技术指标外,还要对机架、集中发热元器件、整机系统的热性能参数进行测量,为热设计提供技术数据。热测量的参数包括:a)电子产品中的关键元器件、散热器及其它冷却装置的表面温度;b)机架、系统内的温度分布;c)机架内或风道处的空气流量和压力损失等。热测试与热性能评价2141DataGridChannelReadingTime110131.49300C14:32:24.099210238.07700C14:32:24.145310339.10700C14:32:24.190410431