外训转内训-热设计

热设计RAMS介绍可靠性（Reliability）可用性（Availability）可维修性（Maintainability）安全性（Safety）RAMS是贯穿产品整个生命周期，从对产品的可行性分析研究到产品报废的整个生命周期过程中，需要建立可靠性、可用性、可维修性和安全性的RAMS论证过程，通过RAMS论证建立RAMS要求，并将RAMS参数综合到要求形成过程中；安全性安全性：是一个相对概念，风险低于预期的程度。包括：①辨识②测定与分析③定量化，对危险发生概率及可能的伤害程度进行评定；④控制与处理⑤技术措施如消除、避开、限止、转移；⑥管理措施如检查、教育、训练。⑦综合评价，危险度等级评定，与要求比较后，判明安全水平。可用性可靠性定义：在规定条件下、规定时间内、完成规定功能的能力。规定条件：指使用条件、环境条件、操作技术、维修方法等，如应力、温度、湿度、尘砂、腐蚀等规定时间：可靠性区别于其他质量属性的特征。规定功能：规定的功能固有可靠性+使用可靠性可靠性指标0dt)t(RMTBFt0dt)t(e)t(Rλ(t)是失效率，它是时间的函数。可靠度成指数分布，即失效率为一个常数，则MTBF=1/λMTBF/MTTFR(t)是设备的可靠度可维修性按规定使用条件，在给定时间间隔内，产品保持在某一指定状态或恢复到某一指定状态的能力。在此状态下，若在规定的条件下实现维护并使用所指定的过程和资源时，它能实现要求的功能。软件称为“可维护性”定义来源GB/T11457-951.修复率（μ）2.平均系统修复时间（MTTR）：包括诊断问题的时间、维修技术人员到位的时间以及实际维修系统的时间3.平均维修时间4.平均修复时间5.最大修复时间GJB451-90、GJB/Z91-97系统可靠性模型导通为正常截流为正常R=Ra*Rb；R=1-(1-Ra)*(1-Rb)系统失效率的影响因素整机失效率元器件平均失效率(1~3)*10-5降额因子(1~10)*10-2环境因子老练筛选效果因子0.1~0.5机械结构因子1.5~2.5制造工艺因子1.5~3.5元器件个数试验室0.5~1室内1.1~10陆地固定5~10车载13~30舰船载10~22机载50~80Nkkkkks543210RPN=S*O*D风险系数=危害×概率×可探测度电路可靠性设计规范降额设计热设计规范电路安全性设计规范电路板EMC设计规范PCB设计规范可用性设计规范可维修性设计规范软件可靠性设计规范热设计规范热设计基础•基本概念•传导散热•风冷散热•半导体制冷•其它制冷方式热设计规范热设计检查表热设计基本概念热设计的目的工程设计近似估算：1.小功率器件（电子元器件）：热耗≈功耗；2.大功率设备：近似热耗≈0.75*功耗；3.电源模块：散热量≈（10%--25%）×功耗；转换效率75%--90%，采用适当可靠的方法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稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。热设计基本概念热阻温差热耗℃/W℃WIUR热阻温度差热耗电压=电流*电阻温度差=热耗*热阻R=△T/Q热设计基本概念风量（风速）：1CFM=0.0283m3/min热功率密度：单位体积内的热功率热流密度：单位面积的热流量对流换热系数：流体与固体表面之间的换热能力，即：物体表面与附近空气温差1℃、单位时间、单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。单位为W/(m2·℃)。传导散热Rja=Rjc+Rcs+RsaRjc：Datasheet；Rcs：用导热油脂或导热垫后再与散热器安装，0.1—0.2℃/W；若器件底面不绝缘另加云母片绝缘，则选1℃/W；Rsa：散热片的热阻。Ta：环境温度40—60℃Tj：结温125℃P：热耗≈功率（对非能量转换器件）Rja：热阻传导散热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。自然冷却下可提高10-15%，通风冷却下可提高3%；电泳涂漆可耐压500-800V。风冷散热1.确定冷却空气入口和出口的温度和压力；2.确定每个电子元器件的最高允许温度(或温升）；3.根据电性能和空间位置以及冷却功率的要求，确定电子元器件的排列和布置方式；4.确定雷诺数；5.根据系统的结构尺寸和规定的雷诺数，计算空气流过每个电子元器件或元器件组的质量流量(或体积流量)；6.计算系统的总压力损失及需要的冷却功率。设计方法：风冷散热△T=Q/V0.05Q：机柜内的散热功率（W）V：风机的体积流量（m3/min）基于机柜内耗散功率均匀分布的前提威图机柜经验公式：10℃/260W局部散热风冷计算V：强制风冷系统必须提供的风量m3/hQ：待冷却设备或部件的总耗散热量WC：空气的比热J/(Kg•℃)ρ:空气的比重kg/m3△T：出口处和进口处的空气温差空气的出口温度根据设备内各单元允许的表面温度确定；本计算公式忽略了辐射和自然对流的散热（一般有10%左右），因此计算出的风量会稍大V=QC*ρ*△T风扇扇叶的数量、形状和倾斜程度都影响着散热效果。（1）转速和风量转速越高、扇叶面积越大，出风量也越大（还跟扇叶角度有关）；单位时间内风量↑，空气流动↑，带走热量↑，散热效果越好。（2）风扇轴承滑动轴承：成本低，摩擦力大，润滑油挥发或轴承受损常致风扇噪音过大甚至停转，故障率高；滚珠轴承：成本高，噪音大，可靠性高，高档散热器风扇用滚珠轴承。半导体制冷及其他半导体致冷片自身功耗大，勿用于大功率冷却，只适用于器件和仪器仪表的冷却。冷却功能模块的电功率一般为所需冷却功率的3%—6%。热导管散热热设计规范热设计前，要了解热设计有关技术要求、冷却功率、散热器热特性、设备所处的工作环境、冷却剂及与冷却系统相关的技术数据。1.降额使用：降额，可有效减少温升；2.根据器件的温度系数计算参数温漂对系统的影响；3.器件选型：同样功能的低功率器件、温度不敏感元器件；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、硅管(少用锗管)…4.高热、辐射大元件安装在同一PCB，密封、隔离、接地和散热处理。5.发热元件不能密集安装；6.元器件的合理布局，减小热阻；7.散热装置与元器件接触面平整、光洁，涂敷导热材料(硅脂、铝、铜)；8.内部电路安装服从空气流动方向：进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集成电路→小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口；9.散热器叶片要垂直印制板；10.发热元器件在机箱上方，热敏元件在机箱下方11.优选机箱金属壳体作散热装置，尤其是密封机箱内大热量元件；热设计-风道1.热源接近出风孔；2.热敏器件不在热流通道；3.元器件和结构距离≥13mm，利于空气流动；4.变压器靠近出风孔；5.大功率电阻和整流二极管不紧贴印制板；6.结构设计成烟囱原理抽热风；7.进出风孔不宜太近。热设计-隔热1.热屏蔽板隔开（抛光的金属薄板，黑度小）；2.散热≥1W器件安装在金属底盘上，或安装传热通道通至散热器。3.屏蔽罩内面涂黑，辐射能力强，外面光滑反射热能力强；4.自然对流换热效率低，3-10W/m2℃，≥40℃温升考虑对流散热；5.物理隔离法或绝热法进行热屏蔽的材料：石棉板、硅橡胶、泡沫塑料、环氧玻璃纤维板，金属板和浇渗金属膜的陶瓷；6.发热元件与机壳之间的距离大于35—40mm；7.保持热环境近似恒定，减轻热循环与冲击；8.直接气冷时，气流中所含水份及其它污染物不得滴入带电部件9.机壳的最大热流密度不超过0.039W/cm2，机箱温度不高于标准要求，一般不超过42℃；热设计-线路板1.散热器直齿结构，齿槽垂直于水平面；2.单板布局要求：大功率发热源在出风口、热敏感器件远离热源、电解电容远离热源；.3.大功率电阻须满足在预计温度下的功率降额，同等功率电阻优选大体积；4.电感和变压器既是发热器件也是热敏感器件，需散热和远离热源；5.自然冷却散热器：A自然冷却时温度边界层较厚，齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面对流，所以自然冷却散热器齿间距≥12mm；如散热器齿高≤10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距；B散热齿表面不加波纹齿；C自然对流散热器表面发黑处理，强化辐射换热；D自然对流达到热平衡的时间较长，所以散热器基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，优选≥5mm。6.导热：导热系数大的金属材料做导热材料；利用机壳或底板进行散热；缩短导热通路。热设计-辐射1.被散热器件与散热器的接触表面光滑平整，接触面粗糙度Ra≤6.3μm；2.辐射是真空中传热的唯一方法。3.增加辐射黑度ε。4.增加辐射面积S5.辐射体对于吸收体要有良好的视角，即角系数ф要大。6.热源附近的电子设备机箱避免处理为黑色.7.室外阳光直晒的地方，机箱处理为银白色热设计-机箱1.采用强迫风冷系统时，应保证机箱内产生足够的正压强。2.减小自然对流热阻的方法：流体流经过的是垂直表面，即面对流体的表面向上。3.进入电子设备的空气与排出的空气之间的温差不应超过14℃；4.不重复使用冷却空气；在不影响电性能的前提下。将发热量大的元件集中在一起，并与其他元件采用热绝缘，可使系统所需风量、风压下降，从而可减小通风机的电机功率。5.通风系统进出口远离避免气流短路。6.为提高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。7.抽风冷却主要适用于热损耗比较分散的整机或机箱，其特点是风量大、风压小，各部分风量分布比较均匀。8.鼓风冷却主要用于单元内热量分布不均匀的情况，各单元需要有专门的风道冷却，风量较大，因此，风压大，风量比较集中。9.轴流式风机风量大、风压小；离心式风机风压高、风量小。设计注意点1.为防止气流回流，进口风道的横截面积应大于各出口分支风道截面积之和。2.在冷却气流流速不大的情况下，元件按叉排方式排列，这样可以提高气流的紊流程度、增加散热效果。3.集成块较多的印制电路，可以在集成元件间加紊流器，以提高换热效果。4.高原高空的电子设备对流换热系数为：5.从电子设备机壳排出的冷却空气温度不能超过71℃6.印制电路板背面30%的面积可用于有效的热传递。自然对流冷却的印制板总的传热表面积可以达到印制电路板面积的1.3倍。7.液体冷却，机箱应留有冷却剂受热后膨胀的空间；冷却液粘度要低，利于降低热阻。α高空海平面高空气压海平面气压α=热设计检查表自然冷却1)是否使用最短的热流通道?2)是否采用金属作为导热通路?3)电子元件采用垂直安装和交错排列?4)对热敏感的元件是否与热源隔离,当二者距离小于50mm,是否采用热屏蔽?5)对发热功率大于1W的器件,是否安装在金属底座或与金属散热器具有良好的导热通路?6)热源的表面黑度是否足够大?7)是否有供通风的百叶窗?8)对密闭式热源是否有良好的导热通路？热设计检查表1)流向发热元件的空气是否经过冷却、过滤?2)是否利用顺流气流对发热元件冷却？3)气流通道大小是否适当?是否畅通?4)机的容量是否适当?抽风/吹风选择是否恰当?5)风机的电动机是否得到冷却?对风机故障是否采取防护措施?6)空气过滤器是否适当?是否易于逐个清洗和更换/7)是否对系统中的气流分布进行测量或仿真?8)关键器件是否有气流流过?9)是否测量过关键器件的温升?10)是否测量过风机的噪声/11)易损坏的散热片是否有保护措施?12)室外电子设备是否有防水功能?强迫风冷热设计检查表功率器件是否作了响应降额?功率器件1)是否对发热器件和热敏感器件进行隔离？2)对于多层印刷线路板中间层是否优良的散热通路3)是否采用措施降低线路板到散热器或结构件之间热阻?4)是否在必要的通路采用较粗的导线印刷线路板热设计检查表1)对热敏感器件是否与高温热源隔离?2)功率器件是否安装散热器?散热器安装方式是否合理?散热器的表面是否经过涂覆处理?3)器件和散热器接触面之间,是否采取减小热阻的措施?半导体器件1)是否为变压器和电感提供了良好的导热通路?2)是否为变压器和电感放置在对流良好的位置?3)较大功