电子产品的热设计方法.docx

电子产品的热设计方法 v 为什么要进行热设计？ 高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。 温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命； 高温会使变压器、 扼流圈绝缘材料的性能下降， 一般变压器、扼流圈的允许温度要低于  95C； 温度过高还会造成焊点合金结构的变化— IMC 增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升 高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加， 导致集电极电流增加， 又使结温进一步升高，  最终 导致元件失效。 v 热设计的目的 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标准及 规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础 ,并且与产品的 可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。 v 在本次讲座中将学到那些内容 风路的布局方法、产品的热设计计算方法、风扇的基本定律及噪音的评估方法、海拔高度对热设计的影响及解决对策、热仿真技术、热设计的发展趋势。 授课内容 v 风路的设计方法 20 分钟 v 产品的热设计计算方法 40 分钟 v 风扇的基本定律及噪音的评估方法 20 分钟 v 海拔高度对热设计的影响及解决对策 20 分钟 v 热仿真技术、热设计的发展趋势 50 分钟 概述 v 风路的设计方法 ：通过典型应用案例，让学员掌握风路布局的原则及方法。 v 产品的热设计计算方法 ：通过实例分析， 了解散热器的校核计算方法、 风量的计算方法、 通风口的大小的计算方法。 v 风扇的基本定律及噪音的评估方法：了解风扇的基本定律及应用；了解噪音的评估方法。 v 海拔高度对热设计的影响及解决对策： 了解海拔高度对风扇性能的影响、器及元器件的影响，了解在热设计如何考虑海拔高度对热设计准确度的影响。  海拔高度对散热 v 热仿真技术：了解热仿真的目的、要求，常用热仿真软件介绍。 v 热设计的发展趋势：了解最新散热技术、了解新材料。风路设计方法 v 自然冷却的风路设计 ? 设计要点 ü机柜的后门 (面板 )不须开通风口。 ü底部或侧面不能漏风。 ü 应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。 ü 机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。 ü 对散热器采用直齿的结构 ,模块放在机柜机架上后 ,应保证散热器垂直放置 于水平面。对散热器采用斜齿的结构 ,除每个模块机箱前面板应开通风口外 也应开通风口。 风路设计方法 v 自然冷却的风路设计 ? 设计案例  ,即齿槽应垂直,在机柜的前面板 风路设计方法 v 自然冷却的风路设计 ? 典型的自然冷机柜风道结构形式风路设计方法 v 强迫冷却的风路设计 ? 设计要点 ü如果发热分布均匀， 元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源 . ü如果发热分布不均匀， 在发热量大的区域元器件应稀疏排列， 而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。 ü如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件， 应在模块内部采用阻流方法， 使大部分的风量流入散热器。 ü 进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需 综合考虑二者的影响。 ü 风道的设计原则 风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力； 尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小； 风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；风路设计方法 v 强迫冷却的风路设计 ? 典型结构风路设计方法 v 强迫冷却的风路设计 ? 电源系统典型的风道结构 -吹风方式风路设计方法 热设计的基础理论 v 自然对流换热 ? 大空间的自然对流换热 Nu=C(Gr.Pr)n. 定性温度： tm=(tf+tw)/2 定型尺寸按及指数按下表选取 热设计的基础理论 v 自然对流换热 ? 有限空间的自然对流换热 垂直封闭夹层的自然对流换热问题分为三种情况： (1) 在夹层内冷热壁的两股流道边界层能够相互结合，形成环流； (2) 夹层厚度 δ 与高度之比 δ /h>0.3 时，冷热的自然对流边界层不会相互干扰，也不会出现环流，可按大空间自然对流换热计算方法分别计算冷热的自然对流换热； (3) 冷热壁温差及厚度均较小， 以厚度为定型尺寸的 Gr=(Bg △ t δ 3)/υ 3<2000 时， 通过夹层的热量可按纯导热过程计算。 热设计的基础理论 v 自然对流换热 ? 有限空间的自然对流换热 水平夹层的自然对流换热问题分为三种情况： (1) 热面朝上，冷热面之间无流动发生，按导热计算； (2) 热面朝下，对气体 Gr.Pr<1700, 按导热计算； (3) 有限空间的自然对流换热方程式： Nu=C(Gr.Pr)m( δ /h)n 定型尺寸为厚度 δ，定性温度为冷热壁面的平均温度 Tm=(tw1+tw2 ) 热设计的基础理论 v 流体受迫流动换热 ? 管内受迫流动换热 管内受迫流动的特征表现为： 流体流速、管子入口段及温度场等因素对换热的影响。 入口段：流体从进入管口开始需经历一段距离后管两侧的边界层才能够在管中心汇 合，这时管断面流速分布及流动状态才达到定型。 这段距离称为入口段。 入口段管内流动换 热系数是不稳定的， 所以计算平均对流换热系数应对入口段进行修正。 在紊流时， 如果管长 与管内径之比 L/d>50 则可忽略入口效应，实际上多属于此类情况。 管内受迫层流换热准则式： Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25 管内受迫紊流换热准则式： tw>tf  Nu=0.023Re0.8 Pr0.4. tw105 hc＝ (1.1-1.4) λ空气 0.032Ref 0.8/L ? 肋片效率 对直齿肋： η =th(mb)/(mb)) m=(2 hc/ λδ 0) δ 0：肋片根部厚度 (m) b. 肋高 (m) 热设计的计算方法 v 型材散热器的计算 ? 散热器的流阻计算 散热器的流阻包括沿程阻力损失及局部阻力损失 △ P＝hf+hj =λ f · L/de ·ρ V22/2+ ζρ V22/2 λ f -- 沿程阻力系数 L-- 流向长度 (m) de--当量水利直径 V--断面流速 (m/s)  (m) ， de=4A  流通 /湿周长 沿程阻力系数计算 λ f 层流区： Re=Vd/ υ≤ 2300 紊统光滑区 4000105, 湍流 根据流体的状态 (层流或紊流 )计算考尔本数 J Re<1800, 层流 J=6/Re 0.98 Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2 也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图 12－ 18 查得 热设计的计算方法 v 冷板的计算方法 ? 传热计算 计算冷板的换热系数：h= JGCpPr2/3 计算肋片的效率 m=(2h/ λ δ )0.5，η f=th(ml)/ml （也可以根据 ml 值查相应的图表得到肋片 效率 ) 计 算 冷 板 的 总 效 率 ： 忽 略 盖 板 及 底 版 的 效 率 ， 总 效 率 为 ： A ＝ At+Ar ＋ Ab ， η0＝ 1－ Ar(1- η f)/A 计算传热单元数 NTU ＝hη 0A/qmCp 计算冷板散热器的台面温度 ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1) 热设计的计算方法 v 冷板的计算方法 ? 流体流动阻力计算 计算流通面积与冷板横截面积之比 σ =Af/Ac 查空气进入冷板时入口的损失系数 Kc=f(Re, σ )： 根据雷诺数 Re 及 σ 从 GJB/Z 27-92 图 12 －16 及图 12－ 16 查得 查摩擦系数 f=f(Re, σ )： 根据雷诺数 Re 从 GJB/Z 27-92 图 12－ 18 查得 计算流动阻力 △ P＝ G2[(Kc+1- σ2)+2( ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Af ρ m)-(1-σ 2-Ke) ρ 1/ρ 2]/(2 ρ1) 热设计的计算方法 v 冷板的计算方法 ? 判断准则 确定是否满足 ts<[ts] ，如果不满足，需增大换热面积或增大空气流量。 确定是否满足△ P<[△P]，如果不满足，需减小冷板的阻力 ( 如选择阻力较小的齿形、增大齿解决等 )或重新选择压头较大的风扇 热设计的计算方法 v 冷板的计算方法 ? 案例： 10KV A UPS 冷板散热器，器件的损耗为 870.5W ，要求冷板散热器台面温升小于 30℃ (在 40℃的环境温度下 )。 冷板散热器的截面图略 梯形小通道面积： Ai=(3.8+2.6) × 9.5/2=30.4mm2 每排有 29 个梯形小通道，共 22 排， n=29× 22=638 个 基板厚度为： 9mm 总的流通面积 Af =30.4 × 29×22=0.0193952 m2 冷板的横截面积 Ac=120 × 120× 2=0.0288 m2 水力半径： de=4Afi/ х=4 × 30.4/(2× 9.5+3.8+2.6)=4.787mm 热设计的计算方法 v 冷板的计算方法 ? 【案例】续 确定风扇的工作点 Re=de G/  μ =deqm/ μ Af 在 40℃空气的物性参数为：  μ ＝ 19.1× 10-6kg/m.s,  ρ １＝ 1.12kg/m3 Re=(4.787 ×10-3 ×1.12 ×0.30483 qm1/(60 19×.1 ×10-6 ×0.0193952) =6.831 qm1(qm1 的单位为： CFM) σ =Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673 热设计的计算方法 v 冷板的计算方法 ? 【案例】续 先忽略空气密度的变化 ,不同流量的流阻计算如下表所示 : 我们把两个 NMB4715 的风扇流量相加，静压不变，得出两个风扇并联后的静压曲线， 再把上表的数据绘制成风道曲线并与风扇静压曲线进行画在同一张图上， 其交点即为风扇的 工作点，即为 (170CFM ， 0.13in.H2O) ，工作点对应的风速为 4.14m/s。 热设计的计算方法 v 冷板的计算方法 ? 【案例】续 空气流过冷板后的温升 空气口温度为 40 ℃， ρ １＝ 1.12kg/m3 ， Cp=1005.7J/kg. ℃ μ =19.1 ×10-6kg/m.s ，  Pr=0.699 质量流量 qm=0.080231 × 1.12=0.08986kg/s △ t= Q/qmCp=870.5/0.08986 × 1005.7=9.63 ℃ 定性温度： tf=(2ts+t1+t2)= (2 ×80+40+49.63)/4=62.4 ℃ 按 定 性 温 度 查 物 性 得 ： ρ １ ＝ μ=20.1 × 10-6kg/m.s ， Pr=0.696  1.06kg/m3  ，  Cp=1005.7J/kg.  ℃ 换热系数 质量流速 G=qm/Af =4.14 × 1.12=4.64kg/m2.s 雷 诺 数 Re=deG/ μ =4.787 层流 J=6/Re 0.98=6/1105.10.98=6.25 ×10-3  ×  10-3  ×  4.64/(20.1  ×  10-6)=1105.1 h= JGCpPr-2/3=6.25 × 10-3× 4.64× 1005.7× 0.696-2/3 =37.14W/m2.  ℃ 肋片效率  m=(2h/ λδ )0.5=(2 × 37.14/(180  ×0.001))0.5=20.3 ml=20.3  ×0.11=2.23 η f=th(ml)/ml=th(2.23)/2.23=0.433 传热单元数： NTU ＝ hη 0A/qmCp=37.14 × 0.433× 3.241 =0.5772 冷板的表面温度： Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9 ℃ <70 ℃ 冷板设计方案满足散热要求。 风扇的基本定律及噪音的评估方法 v 风扇定律 风扇的基本定律及噪音的评估方法 v 风扇的噪音问题 ? 风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系，对于轴流风扇在大风量，低风压的 区域噪音最小， 对于离心风机在高风压， 低风量的区域噪音最小， 这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区。 ? 风扇进风口受阻挡所产生的 噪音比其出风口受阻挡产生 的噪音大好几倍，所以一般 应保证风扇进风口离阻挡物 至少 30mm 的距离，以免产生 额外的噪音。 ? 对于风扇冷却的机柜，在标准机房内噪音不得超过 55dB ，在普通民房内不得超过 65dB 。风扇的基本定律及噪音的评估方法 v 风扇的噪音问题 ? 对于不得不采用大风量，高风压风扇从而产生较大噪音的情况，可以在机柜的进风口、 出风口、前后门内侧、风扇框面板、 侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材料，较好的材料主要是多孔介质，如玻璃棉，厚度越厚越好。  吸音效果 ? 有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机，在保证设计风量的条件下，可以通 过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速， 从而降低风扇的噪音。 相应的噪音降低变化按下式计算： N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1) 风扇的基本定律及噪音的评估方法 v 风扇的噪音问题 ? 【案例】：一电源模块采用一个轴流风扇进行冷却，为了有效抑止噪音，要求风扇只有在监控点的温度高于 85℃才全速运转，其余情况风扇必须半速运转。已知风扇全速运转时转速为 2000RMP ，噪音为 40db ，求在半速运转时风扇的噪音为多少？如果已知全速运转时风扇的工作点为 (50CF