电子设备散热设计计算表

设计基本准则计算基础实际应用说明对流换热系数h对流热量(设备总功耗)Q环境温度(空气温度）Tf散热片长度l散热片齿片高度d散热片齿数nA散热片壁面换热面积A元件允许最高工作/结点温度Tjmax散热片允许最高工作温度Ts标准散热片实际温度(元件实际温度)Ts实际自然冷却条件下，对流换热，散热片之设计常用电子设备中，自然冷却条件下，常常涉及到散热铝片的设计，通过如下举例说明，大致验证散热片之设计是否合理：1.通过对流换热牛顿冷却方程，计算出散热片表面的实际温度“Ts实际”[Ts=Q/(h*A)+Tf]其中Q:此时即为设备中主要的发热元件功耗加总之所得h:空气自然对流系数,取5W/(m^2*℃)A:通常不考虑散热片与芯片接触面（因为此面与空气的热交换很小），可通过CAD软件实测，亦可近似为散热片齿片的面积≈2ldn（常规矩形），l-散热片长度，d-散热片高度，n-散热片齿数。Tf:空气温度，试设备实际使用环境决定。2.根据各元件规格书查得各自允许的最高正常工作温度Tjmax,此处忽略散热片与元件之间的热阻，两者为一个整体，热设计需要保证实际的节点温度Tj=(0.5-0.8)Tjmax，所以取散热片的最高允许工作温度“Ts标准”=(0.5-0.8)Tjmax。3.Ts实际=Ts标准，散热片满足对流换热要求，OK。Ts实际Ts标准，散热片不能满足对流换热要求，NG。1.计算基础：对流换热牛顿冷却方程：Q=h*A(Ts-Tf)Q:固体表面与流体之间的换热量，W。h:对流换热系数，表示单位面积温差为1℃时所传递的热量，W/(m^2*℃)A:固体壁面交换热量的面积，m^2.Ts:固体壁面的温度，℃。Tf:流体温度，℃。2.忽略散热片的辐射换热，但自然冷却条件下，辐射散热是重要的散热途径，所以要尽可能增加辐射散热的效果。试验表明，增加散热片的黑度可以增加其辐射散热效果(物体的辐射力越大，其吸收率也就越大，反之也成立。所以善于反射的物体，辐射就很少)，所以我们设计时尽可能地增加散热片黑度，黑度的大小取决于物体的材料、温度及其表面状态（如粗糙度、氧化程度和涂覆情况等）。常用材料黑度参考右侧表格。1.选用导热系数大的材料（如铜和铝等）制作散热片；2.尽可能增加散热器的垂直散热面积，齿片间距不宜过小，以免影响对流换热。同时，要求尽可能地减小辐射的遮蔽，以便提高辐射换热的效果；3.用以安装晶体管的安装平面要平整和光洁，以减小其接触热阻；4.散热片的结构工艺性和经济性要好。以型材散热片和叉指型散热器用的最多，铝型材一般选用AL6063（导热系数优于AL6061），安装表Ts实际=Ts标准，散热片满足对流换热要求，设计合理。Ts实际Ts标准，散热片不能满足对流换热要求，设计NG。结果判定辅助计算表格5W/(m^2*℃)10W35℃0.2m0.015m12片0.072m^2100℃80℃62.78℃自然冷却条件下，对流换热，散热片之设计常用电子设备中，自然冷却条件下，常常涉及到散热铝片的设计，通过如下举例说明，大致验证散热片之设计是否合理：1.通过对流换热牛顿冷却方程，计算出散热片表面的实际温度“Ts实际”[Ts=Q/(h*A)+Tf]其中Q:此时即为设备中主要的发热元件功耗加总之所得h:空气自然对流系数,取5W/(m^2*℃)A:通常不考虑散热片与芯片接触面（因为此面与空气的热交换很小），可通过CAD软件实测，亦可近似为散热片齿片的面积≈2ldn（常规矩形），l-散热片长度，d-散热片高度，n-散热片齿数。Tf:空气温度，试设备实际使用环境决定。2.根据各元件规格书查得各自允许的最高正常工作温度Tjmax,此处忽略散热片与元件之间的热阻，两者为一个整体，热设计需要保证实际的节点温度Tj=(0.5-0.8)Tjmax，所以取散热片的最高允许工作温度“Ts标准”=(0.5-0.8)Tjmax。3.Ts实际=Ts标准，散热片满足对流换热要求，OK。Ts实际Ts标准，散热片不能满足对流换热要求，NG。1.计算基础：对流换热牛顿冷却方程：Q=h*A(Ts-Tf)Q:固体表面与流体之间的换热量，W。h:对流换热系数，表示单位面积温差为1℃时所传递的热量，W/(m^2*℃)A:固体壁面交换热量的面积，m^2.Ts:固体壁面的温度，℃。Tf:流体温度，℃。2.忽略散热片的辐射换热，但自然冷却条件下，辐射散热是重要的散热途径，所以要尽可能增加辐射散热的效果。试验表明，增加散热片的黑度可以增加其辐射散热效果(物体的辐射力越大，其吸收率也就越大，反之也成立。所以善于反射的物体，辐射就很少)，所以我们设计时尽可能地增加散热片黑度，黑度的大小取决于物体的材料、温度及其表面状态（如粗糙度、氧化程度和涂覆情况等）。常用材料黑度参考右侧表格。1.选用导热系数大的材料（如铜和铝等）制作散热片；2.尽可能增加散热器的垂直散热面积，齿片间距不宜过小，以免影响对流换热。同时，要求尽可能地减小辐射的遮蔽，以便提高辐射换热的效果；3.用以安装晶体管的安装平面要平整和光洁，以减小其接触热阻；4.散热片的结构工艺性和经济性要好。以型材散热片和叉指型散热器用的最多，铝型材一般选用AL6063（导热系数优于AL6061），安装表Ts实际=Ts标准，散热片满足对流换热要求，设计合理。Ts实际Ts标准，散热片不能满足对流换热要求，设计NG。查表所得，空气自然对流一般取5W/(m^2*℃)设备主要发热器件功耗加总所得，如CPU/MSM/DDR/PM/PMI/SMB/RFPA/WCN/WIFI/chargeIC/Display等，实际功耗非常量，常常会根据设备使用情况变化，当设备在高负荷环境下运行，则取高，反之取小。试设备实际使用环境决定通常不考虑散热片与芯片接触面（因为此面与空气的热交换很小），可通过CAD软件实测直接输入，亦可近似为散热片齿片的面积≈2ldn根据各器件规格查得。半导体芯片结点最大可承受温度一般为150°，热设计需要保证实际的结点温度Tj=(0.5-0.8)Tjmax，在允许的温度范围内，温度越高，CPU可能出现降频，但降频程度随不同厂家的芯片型号不同有所差异，需要实际测试Ts标准=Tc计算所得设备主要发热器件功耗加总所得，如CPU/MSM/DDR/PM/PMI/SMB/RFPA/WCN/WIFI/chargeIC/Display等，实际功耗非常量，常常会根据设备使用情况变化，当设备在高负荷环境下运行，则取高，反之取小。通常不考虑散热片与芯片接触面（因为此面与空气的热交换很小），可通过CAD软件实测直接输入，亦可近似为散热片齿片的面积≈2ldn根据各器件规格查得。半导体芯片结点最大可承受温度一般为150°，热设计需要保证实际的结点温度Tj=(0.5-0.8)Tjmax，在允许的温度范围内，温度越高，CPU可能出现降频，但降频程度随不同厂家的芯片型号不同有所差异，需要实际测试设备主要发热器件功耗加总所得，如CPU/MSM/DDR/PM/PMI/SMB/RFPA/WCN/WIFI/chargeIC/Display等，实际功耗非常量，常常会根据设备使用情况变化，当设备在高负荷环境下运行，则取高，反之取小。根据各器件规格查得。半导体芯片结点最大可承受温度一般为150°，热设计需要保证实际的结点温度Tj=(0.5-0.8)Tjmax，在允许的温度范围内，温度越高，CPU可能出现降频，但降频程度随不同厂家的芯片型号不同有所差异，需要实际测试设计基本准则计算基础实际应用说明对流热量(设备总功耗)W进口空气温度（环境温度）T进元器件允许最高工作温度Tjmax出口空气温度T出系统阻抗大小中实际整机所需的总风量Q实际强迫通风冷却条件下，对流换热，风扇之选型1.整机通风冷却设计的焦点在于合理控制气流与分配气流，使其按照预定的路径通行，并将气流合理地分配给各单元和组件，使所有元器件均在稍低于额定的温度下工作；2.元器件排列时，应将不发热或发热量小的元器件排列在冷空气的上游（靠近进风口处），耐热性差的元器件排列在最上游，其余元器件可按他们耐温的高低，以递增的顺序逐一排列。对那些发热量大，而导热性能差的（如电子管）元器件，必须使其暴露在冷气流中；而导热性好的，体积较大的变压器、扼流圈可依靠导热方式，将其热量传递到附近有冷空气流过的地板上；3.在不影响电性能的前提下，将发热量大的元器件集中在一起，并与其它元器件采用热绝缘的办法，进行单独的集中通风冷却。这样可使系通（或单元）所需的风量、风雅显著下降，以减少通风机的电机功率；4.为了降低空气的输送阻力，各元器件在单元内排列时，应力求空气的阻力最小，尽量避免在风道上安装大型元器件以免造成阻塞；5.整机通风系统的进、出风口应尽量远离，以避免气流短路；6.为提高主要元器件的换热效率，可将元器件装入与其外形相似的风道内，进行单独的集中通风冷却。1.计算基础：根据热平衡方程得,Q=W/ρ*Cp*∆T(m³/s)=0.05W/∆T(m³/min)=1.76W/∆T(CFM)Q:整机抽风或鼓风所需的总风量，m³/s。ρ:空气密度，1.293kg/m³。Cp：空气质量定压比热容，1.04*10³J/(KG*℃)。W:总功耗（热流量），W。∆T:冷却空气的出口与进口温差，℃。1CFM=0.028m³/min2.忽略辐射散热与自然对流散热。1.热平衡方程，计算出整机所需的总风量Q=0.05W/∆T(m³/min)=0.05W/(T出-T进）其中冷却空气的出口温度T出近似取为元器件允许的节点温度Tj，由于热设计时必须保证实际的节点温度小于等于元器件允许的最高节点温度。所以一般取T出=Tj=（0.5-0.8）Tjmax。Tjmax可通过元件规格书查得。T进取环境温度。2.由于整机中风道存在阻抗，同时系统阻抗很难测得，所以实际应用中，一般选用最大风量为所需风量Q的1.3倍~2倍的风扇。按如下经验取最大风量，1)系统阻抗较小时，以1.3倍为标准；2)系统阻抗中等时，以1.5倍为标准；3)系统阻抗较大时，以2倍为标准。辅助计算表格最终选择选择最大风量大于实际整机所需总风量的风扇。140W35℃50℃40℃1.5倍2.1000m³/min75.0000CFM强迫通风冷却条件下，对流换热，风扇之选型1.整机通风冷却设计的焦点在于合理控制气流与分配气流，使其按照预定的路径通行，并将气流合理地分配给各单元和组件，使所有元器件均在稍低于额定的温度下工作；2.元器件排列时，应将不发热或发热量小的元器件排列在冷空气的上游（靠近进风口处），耐热性差的元器件排列在最上游，其余元器件可按他们耐温的高低，以递增的顺序逐一排列。对那些发热量大，而导热性能差的（如电子管）元器件，必须使其暴露在冷气流中；而导热性好的，体积较大的变压器、扼流圈可依靠导热方式，将其热量传递到附近有冷空气流过的地板上；3.在不影响电性能的前提下，将发热量大的元器件集中在一起，并与其它元器件采用热绝缘的办法，进行单独的集中通风冷却。这样可使系通（或单元）所需的风量、风雅显著下降，以减少通风机的电机功率；4.为了降低空气的输送阻力，各元器件在单元内排列时，应力求空气的阻力最小，尽量避免在风道上安装大型元器件以免造成阻塞；5.整机通风系统的进、出风口应尽量远离，以避免气流短路；6.为提高主要元器件的换热效率，可将元器件装入与其外形相似的风道内，进行单独的集中通风冷却。1.计算基础：根据热平衡方程得,Q=W/ρ*Cp*∆T(m³/s)=0.05W/∆T(m³/min)=1.76W/∆T(CFM)Q:整机抽风或鼓风所需的总风量，m³/s。ρ:空气密度，1.293kg/m³。Cp：空气质量定压比热容，1.04*10³J/(KG*℃)。W:总功耗（热流量），W。∆T:冷却空气的出口与进口温差，℃。1CFM=0.028m³/min2.忽略辐射散热与自然对流散热。1.热平衡方程，计算出整机所需的总风量Q=0.05W/∆T(m³/min)=0.05W/(T出-T进）其中冷却空气的出口温度T出近似取为元器件允许的节点温度Tj，由于热设计时