热设计的基础知识与规范

热设计的基础知识与规范目录1概述..................................................................11.1热设计的目的........................................................11.2热设计的基本问题....................................................11.3热设计应遵循的原则..................................................12热设计的基本知识....................................................32.1基本概念................................................................32.2热量传递的基本方式极其基本方程式.................................52.3增强散热的方式........................................................63自然对流散热..........................................................73.1自然对流热设计应考虑的问题............................................73.2自然对流换热系数的计算..............................................94强迫对流散热——风扇冷却..............................................114.1风道的设计..........................................................114.2抽风与鼓风的区别....................................................164.3风扇选型设计........................................................174.4机柜/箱强迫风冷热设计................................................225单板元器件安全性热分析................................................24字串25.1元器件温升校核计算..................................................245.2元器件的传热分析....................................................275.3散热器选型参数的确定................................................275.4散热器选用与安装的原则..............................................296通信产品热设计步骤........................................................307附录.....................................................................327.1热仿真软件介绍.............................................................327.2参考文献.....................................................................32第一章概述第一章概述1.1热设计的目的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。1.2热设计的基本问题1.2.1耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度；1.2.2热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比；1.2.3热量、热阻和温度是热设计中的重要参数；1.2.4所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求；1.2.5热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决；1.2.6热设计中允许有较大的误差；1.2.7热设计应考虑的因素：包括结构与尺寸功耗产品的经济性与所要求的元器件的失效率相应的温度极限电路布局工作环境1.3遵循的原则1.3.1热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾;1.3.2热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准;1.3.3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长期正常工作。1.3.4每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求；1.3.5在规定的使用期限内，冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低；1.3.6在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免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。1.3.7热设计不能盲目加大散热余量，尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高的冷却方式。使用风扇冷却时，要保证噪音指标符合标准要求。1.3.8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。1.3.9冷却系统要便于监控与维护2.1某些基本概念2.1.1温升指机柜内空气温度或元器件温度与环境温度的差。如果忽略温度变化对空气物性的非线性影响，可以将一般环境温度下（如空调房27℃）测量获得的温升直接加上最高可能环境温度获得最恶劣环境下的器件近似温度。例如在空调房内测得某器件温升为40℃，则在55℃最高环境温度下该器件的温度将为95℃。2.1.2热耗指元器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗，功耗指器件的输入功率。一般电子元器件的效率比较低，大部分功率都转化为热量。计算元器件温升时，应根据其功耗和效率计算热耗，当仅知道大致功耗时，对于小功率设备，可认为热耗等于功耗，对于大功耗设备，可近似认为热耗为功耗的75%。其实为给设计留一个余量，有时直接用功耗进行计算。但注意电源模块的效率比较高，一般为70%~95%，对于同一个电源模块，输出功率越小，效率越低。2.1.3热流密度2单位面积上的传热量，单位W/m。字串42.1.4热阻热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。以下是一些单板元器件热分析使用的重要热阻概念，这些热阻参数一般由元器件生产厂商根据标准实验测量提供，可在器件的用户说明书中查出：2.1.4.1结至空气热阻Rja：元器件的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。2.1.4.2结至壳热阻Rjc：元器件的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。2.1.4.3结至板热阻Rjb：元器件的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。2.1.5导热系数表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃2.1.6对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1℃时，在单22位时间通过单位面积的热量，单位为W/m.K或W/m.℃2.1.7层流与紊流(湍流)层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，热阻大，流动阻力小；紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，热阻小，流动阻力大。层流与紊流状态一般由雷诺数来判定。在热设计中，尽可能让热耗大的关键元器件周围的空气流动为紊流状态，因为紊流时的换热系数会是层流流动的数倍。2.1.8流阻反映流体流过某一通道时所产生的静压差。单位帕斯卡或In.water字串92.1.9黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，在0~1之间。它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。表面粗糙，无光泽，黑度大，辐射散热能力强。2.1.11雷诺数Re(Reynlods)雷诺数的大小反映了空气流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则数。其定义一般为式中u为空气流速，单位m/s；D为特征尺寸，单位m，根据具体的对象结构情况取2值；为运动粘度，单位m/s。2.1.12普朗特数Pr(Prandtl)普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则数。空气的Pr数可直接根据定性温度从物性表中查出。2.1.13努谢尔特数Nu(Nusseltl)反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则数。其定义一般为2h为换热系数，单位W/m.℃；D为特征尺寸；为导热系数，单位W/m.℃。2.1.14通风机的特性曲线指通风机在某一固定转速下工作，静压随风量变化的关系曲线。当风机的出风口字串1完全被睹住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而风量达到最大2.1.15系统的阻力特性曲线系统(或风道)的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压降随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。2.1.16通风机工作点系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机的工作点。2.1.17速度头一般使用空气的动压头来作为电子设备机箱压降的惯用基准，其定义为为空气密度，u为空气流速。风道中空气的静压损失就由速度头乘以阻力损失系数获得。2.2热量传递的基本方式及传热方程式热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现2.2.1导热的基本方程：导热是在同一种介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象。2λ----导热系数，W/m.K或W/m.℃;A导---导热方向上的截面面积，m----x方向上的温度变化率，℃;R导-----导热热阻,℃/W根据方程的形式，可以看出，要增强散热量，减小温升，可以增加导热系数，选用导热系数高的材料，如铜（约360W/m℃）或铝（约160W/m℃）；增加导热方向上的截面积；减小导热方向上的路径。2.2.2对流的基本方程：对流是由流体与流体流经的固体表面之间存在的温差产生的换热现象。(2-2)222h----对流换热系数，W/m.K或W/m.℃;A对---有效对流换热面积，m字串9tw----热表面温度，℃;ta----冷却空气温度，℃;R对流-----对流热阻,℃/W由方程可见，要增强对流换热，可以加大换热系数和换热面积。2.2.3辐射的基本方程：----系统黑度，ε1，ε2----分别为高温物体表面（如发热器件）和低温物体表面（如机壳内表面）的黑度;F12------表面1到表面2的角系数。即表面1向空间发射的辐射落到表面2的百分数。2A1---物体1的有效辐射面积，m;T1,T2--分别为物体1和物体2的绝对温度，K字串3由方程可见，要增加辐射换热，可以提高热源表面的黑度和到冷表面的角系数，增加表面积。2.3增强散热的方式以下一些具体的散热增强方式，其实就是根据上述三种基本传热方程来增加散热量的：2.3.1增加有效散热面积。如在芯片表面安装散热器；将热量通过引线或导热绝缘材料导到PCB板中，利用周围PCB板的表面散热。2.3.2增加流过表面的风速，可以增加换热系数。2.3.3破坏层流边界层，增加扰动。紊流的换热强度是层流的数倍，抽风时，风道横截面上速度分布比较均匀，风速较低，一般为层流状