電子產(chǎn)品熱設(shè)計的詳細(xì)說明

電子產(chǎn)品有效的功率輸出要比電路工作所需輸入的功率小得多。多余的功率大部分轉(zhuǎn)化為熱而耗散。當(dāng)前電子產(chǎn)品大多追求縮小尺寸、增加元器件密度，這種情況導(dǎo)致了熱量的集中，因此需要采用合理的熱設(shè)計手段，進(jìn)行有效的散熱，以便產(chǎn)品在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作。熱設(shè)計技術(shù)就是指利用熱的傳遞條件，通過冷卻措施控制電子產(chǎn)品內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在產(chǎn)品所在的工作條件下，以不超過規(guī)定的最高溫度穩(wěn)定工作的設(shè)計技術(shù)。

一、電子產(chǎn)品熱設(shè)計的目的

電子產(chǎn)品在工作時會產(chǎn)生不同程度的熱能，尤其是一些功耗較大的元器件，如變壓器、大功率晶體管、電力電子器件、大規(guī)模集成電路、功率損耗大的電阻等，實際上它們是一個熱源，會使產(chǎn)品的溫度升高。在溫度發(fā)生變化時，幾乎所有的材料都會出現(xiàn)膨脹或收縮現(xiàn)象，這種膨脹或收縮會引起零件間的配合、密封及內(nèi)部的應(yīng)力問題。溫度不均引起的局部應(yīng)力集中是有害的，金屬結(jié)構(gòu)在加熱或冷卻循環(huán)作用下會產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致金屬因疲勞而毀壞。另外，對于電子產(chǎn)品而言，元器件都有一定的工作溫度范圍，如果超過其溫度極限，會引起電子產(chǎn)品工作狀態(tài)的改變，縮短使用壽命，甚至損壞，導(dǎo)致電子產(chǎn)品不能穩(wěn)定、可靠地工作。

電子產(chǎn)品熱設(shè)計的主要目的就是通過合理的散熱設(shè)計，降低產(chǎn)品的工作溫度，控制電子產(chǎn)品內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境溫度下，以不超過規(guī)定的最高允許溫度正常工作，避免高溫導(dǎo)致故障，從而提高產(chǎn)品的可靠性。

二、電子產(chǎn)品散熱系統(tǒng)簡介

熱傳遞的三種基本方式是傳導(dǎo)、對流和輻射，對應(yīng)的散熱方式為：傳導(dǎo)散熱、對流散熱和輻射散熱。

典型的散熱系統(tǒng)介紹如下：

（1）自然冷卻系統(tǒng)

自然冷卻系統(tǒng)是指電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的熱量通過傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式自然地散發(fā)到周圍的空氣中（環(huán)境溫度略微升高），再通過空調(diào)等其他設(shè)備降低環(huán)境溫度，達(dá)到散熱的目的。此類散熱系統(tǒng)的設(shè)計原則是：盡可能減少傳遞熱阻，增加產(chǎn)品中的對流風(fēng)道和換熱面積，增大產(chǎn)品外表的輻射面積。自然冷卻是最簡單、最經(jīng)濟(jì)的冷卻方法，但散熱量不大，一般用于熱流密度不大的產(chǎn)品中。

（2）強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)是指利用風(fēng)機(jī)等設(shè)備將冷空氣吹到產(chǎn)品表面或內(nèi)部，從而快速帶走熱量的散熱方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷按照風(fēng)機(jī)的工作方式分為抽風(fēng)冷卻和吹風(fēng)冷卻。當(dāng)設(shè)備熱源分布均勻時采用抽風(fēng)冷卻，非均勻熱源采用吹風(fēng)冷卻。根據(jù)產(chǎn)品發(fā)熱量的大小，對所選的風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)的安排方式都有特別的要求（如氣流的流量、壓力、噪聲等）。

按照空氣流經(jīng)發(fā)熱元器件的方向，強(qiáng)迫風(fēng)冷還可分為橫向通風(fēng)冷卻、縱向通風(fēng)冷卻和縱出通風(fēng)冷卻。橫向通風(fēng)冷卻就是冷空氣通過靜壓風(fēng)道再流向需散熱的元器件或散熱器，發(fā)生換熱后，熱空氣從設(shè)備的另一側(cè)排出?？v向通風(fēng)冷卻用于平行安裝的印制板組裝件等，空氣換熱后，熱空氣從產(chǎn)品的另一側(cè)排出?？v出通風(fēng)冷卻多用于垂直安裝的印制板組裝件等，空氣從下部進(jìn)入產(chǎn)品，熱空氣從上部排出。

在設(shè)計冷卻系統(tǒng)時，需合理布置各個發(fā)熱元器件，發(fā)熱少、耐溫差的元器件排在氣流的上游，然后按耐熱性由低到高排列，這種冷卻方式多用于發(fā)熱量不大的設(shè)備。

自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷都屬于直接冷卻方法，與間接冷卻方法相比，該類冷卻方法結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計簡單、成本低，多用于熱流密度較高的產(chǎn)品。

（3）氣冷式冷板散熱系統(tǒng)

氣冷式冷板散熱系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為空氣，該系統(tǒng)一般由蓋板、肋片、底板和封裝組成。肋片是冷板的主要零件，也是組成擴(kuò)散表面的基本部分，肋片材料一般為鋁材或銅材，在機(jī)載產(chǎn)品中，由于質(zhì)量要求較為嚴(yán)格，肋片一般由鋁材制成，有多種不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可根據(jù)冷卻的工作環(huán)境（溫度、氣壓、濕度和污染等情況）來選擇肋片形狀、肋間距、肋高和肋厚。

氣冷式冷板散熱是一種常用的間接冷卻散熱方式，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。其缺點是散熱能力有限，結(jié)構(gòu)尺寸較大，散熱效率較液冷式冷板低得多，常用在小型機(jī)載電子設(shè)備中。

（4）液冷式冷板散熱系統(tǒng)

液冷式冷板散熱系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為液體，冷卻材料通常為導(dǎo)熱較好的鋁材或銅材，在機(jī)載電子產(chǎn)品中常用鋁材。冷板的大小及液道的形狀可根據(jù)空間的大小，散熱量及冷卻源的壓力來確定。根據(jù)冷板工作的環(huán)境溫度，選擇合適的冰點、沸點、比勢、導(dǎo)熱系數(shù)、汽化熱、動力黏度的冷卻劑（如乙醇等）。

液冷式冷板散熱是一種常用的散熱方式，其熱流密度大（可達(dá)45×103W／m2）、散熱效率高、熱負(fù)載均勻、溫度梯度小、結(jié)構(gòu)緊湊。與同體積的其他換熱器相比，質(zhì)量輕、換熱面積大，適用于大功率元器件的散熱，被廣泛用在機(jī)載電子產(chǎn)品中。

在設(shè)計冷板時，要考慮泵的壓力、冷卻液的流量、冷卻液的溫升、冷板表面溫度冷卻劑的二次冷卻等諸多因素，以合理地制定結(jié)構(gòu)方案。

三、電子產(chǎn)品熱設(shè)計的基本問題及要求

對電子產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計，需要事先明確幾個問題。

（1）電子產(chǎn)品（包括發(fā)熱元器件）的熱特性

熱設(shè)計的基本依據(jù)是元器件的熱特性（也叫熱的邊界條件），包括元器件（或產(chǎn)品）的發(fā)熱功率、發(fā)熱元器件（或產(chǎn)品）的散熱面積，發(fā)熱元器件或熱敏元器件（或產(chǎn)品）的最高允許工作溫度及溫度環(huán)境等。這些數(shù)據(jù)參數(shù)一般由元器件數(shù)據(jù)手冊（制造廠家提供）給出，設(shè)計師借此確定散熱方案及冷卻介質(zhì)流量。當(dāng)這種數(shù)據(jù)資料不足時，原則上不能準(zhǔn)確地進(jìn)行熱設(shè)計，需要設(shè)計者通過測量和試驗確定各個參數(shù)，以保證設(shè)計的準(zhǔn)確性。

（2）元器件（或產(chǎn)品）的環(huán)境溫度

熱傳導(dǎo)的原則是：熱量總是從高溫物體傳給低溫物體，熱傳遞的速度與溫差、傳輸方式（或介質(zhì)）有關(guān)。相同的傳輸方式下，溫差越大熱量傳遞越快?？梢姡娮赢a(chǎn)品（包括發(fā)熱元器件）的最終溫度除了與元器件的熱特性有關(guān)外，還與所處的環(huán)境溫度密切相關(guān)。因此，進(jìn)行熱設(shè)計前必須準(zhǔn)確了解電子產(chǎn)品（或元器件）所處工作環(huán)境的溫度。

實際工作中，通常根據(jù)元器件（或產(chǎn)品）的工作環(huán)境溫度及元器件（或產(chǎn)品）的最高允許溫度確定散熱系統(tǒng)中冷卻劑的進(jìn)出口溫度（溫差值），并將此作為熱設(shè)計初步估算時的參考數(shù)據(jù)。

熱設(shè)計的原則是把產(chǎn)品的溫度限制在某一最大和最小的范圍內(nèi)，盡量使電子產(chǎn)品內(nèi)各點之間的溫差最小，具體要求包括：

① 保證系統(tǒng)具有良好的冷卻功能。

根據(jù)產(chǎn)品的熱損耗值、用途及溫升等要求來確定冷卻方法。在熱回路中元器件的發(fā)熱表面到連接物之間的熱阻（熱量傳遞過程的阻力）應(yīng)盡量?。徊煌骷g應(yīng)采用不同的散熱措施，目的是保證電子產(chǎn)品內(nèi)的所有元器件均能在規(guī)定的熱環(huán)境中正常工作。

② 保證冷卻系統(tǒng)工作的可靠性。

不管環(huán)境如何變化，冷卻系統(tǒng)必須能以重復(fù)的和預(yù)定的方式完成所規(guī)定的功能。在規(guī)定的使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)的故障率應(yīng)比元器件的故障率低。

③ 冷卻系統(tǒng)要具有良好的適應(yīng)性。

設(shè)計冷卻系統(tǒng)時，應(yīng)留有散熱余量。因為有的產(chǎn)品在工作一段時間后，由于某些因素的變化，如熱耗散或流體流動阻力的增加，會要求增強(qiáng)散熱能力，如果沒有余量則需進(jìn)行重新設(shè)計，會帶來不必要的麻煩和成本增加。

④ 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要有良好的經(jīng)濟(jì)性。

設(shè)計一個良好的冷卻系統(tǒng)，必須綜合考慮各方面的因素，使其既能滿足冷卻要求，又能達(dá)到電氣性能的指標(biāo)，同時所用的冷卻代價最小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠。

⑤ 冷卻系統(tǒng)要有良好的可維修性。

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)力求簡單，盡可能使用最少的和通用的元器件，以便于維修和更換。

四、電子產(chǎn)品熱設(shè)計原則

熱設(shè)計的基本原則是可制造性、可維修性、經(jīng)濟(jì)性。即以最簡化的設(shè)計、最低的成本滿足產(chǎn)品的使用要求。

根據(jù)經(jīng)驗，熱設(shè)計一般應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

① 熱流密度超過0．08W／cm2、體積功率密度超過0．18W／cm3時，應(yīng)采用強(qiáng)迫空氣冷卻、強(qiáng)迫液體冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱管或其他冷卻方法。

② 若電子元器件之間的空間有利于空氣流動或可以安裝散熱器，推薦采用強(qiáng)迫空氣冷卻系統(tǒng)。

③ 對于必須在高溫環(huán)境條件下工作，元器件與被冷卻表面之間的溫度梯度又很小的部件或體積功耗密度很高的元器件或設(shè)備，推薦使用液冷式散熱系統(tǒng)。

④ 一般情況下，設(shè)計時應(yīng)使一切外露部分（包括機(jī)箱）工作在35℃環(huán)境溫度以下，且它們的溫度不得超過60℃，面板和控制器不應(yīng)超過43℃。

⑤ 熱設(shè)計應(yīng)與電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠性設(shè)計等同時進(jìn)行，當(dāng)出現(xiàn)矛盾時，應(yīng)平衡分析，折中解決。但不得損害電氣性能，并要符合可靠性要求，以使設(shè)備的壽命周期費用降至最低。

⑥ 設(shè)計冷卻系統(tǒng)時，必須考慮經(jīng)濟(jì)性、體積及質(zhì)量等因素，應(yīng)最大限度地利用傳導(dǎo)、輻射、對流等基本冷卻方式，避免外加冷卻裝置。

⑦ 設(shè)計冷卻系統(tǒng)時，必須考慮到可維修性，要從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)選擇熱交換器、冷卻劑及管道，同時冷卻劑不能對交換器和管道有腐蝕作用。

⑧ 在溫度敏感的元器件或設(shè)備周圍應(yīng)設(shè)置溫度監(jiān)控裝置，以便當(dāng)其周圍溫度超出該元器件允許工作溫度范圍時提供報警或自行斷電，以保護(hù)設(shè)備安全（需要長期連續(xù)運行的電子設(shè)備不適用）。

⑨ 熱設(shè)計中允許有較大的誤差，設(shè)計過程的早期應(yīng)對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析和計算。