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产品热设计
VCS项目散热预研
欧国彦
2012-12-4
热设计、冷却方式、散热器、热管技术
电子产品的散热设计
一、 为什么要进行 散热设计
在调试或维修电路的时候,我们常提到一个词 “*烧*了 ”,这个 **有时是电阻、有时是保
险丝、有时是芯片,可能很少有人会追究这个词的用法,为什么不是用 ”而是用 ”?其
原因就是在机电产品中, 热失效是最常见的一种失效模式, 电流过载, 局部空间内短时间内
通过较大的电流,会转化成热,热 ** 不易散掉,导致局部温度快速升高,过高的温度会烧毁
导电铜皮、导线和器件本身。所以电失效的很大一部分是热失效。
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, 于 95C;温度过高还会造成焊点合金结构的变化— 温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加,
最终导致元件失效。
一般变压器、扼流圈的允许温度要低 IMC 增厚,焊点变脆,机械强度降低;结
导致集电极电流增加, 又使结温进一步升高,
那么问一个问题, 如果假设电流过载严重, 但该部位散热极好, 能把温升控制在很低的
范围内,是不是器件就不会失效了呢?答案为“是”。
由此可见, 如果想把产品的可靠性做高, 一方面使设备和零部件的耐高温特性提高, 能
承受较大的热应力(因为环境温度或过载等引起均可); 和过载引起的热量全部散掉,产品可靠性一样可以提高。
二、 散热设计的目的
控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的
另一方面是加强散热,使环境温度
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。
三、 散热设计的方法
1、冷却方式的选择
我们机电设备常见的是散热方式是散热片和风扇两种散热方式,有时散热的程度不够,
有时又过度散热了, 那么何时应该散热, 哪种方式散热最合适呢?这可以依据热流密度来评
估,热流密度 =热量 / 热通道面积。
按照《 GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册》的规定(如下图 1),根据可接受的
温升的要求和计算出的热流密度,得出可接受的散热方法。如温升 40℃(纵轴),热流密 度 0.04W/cm2 (横轴),按下图找到交叉点,落在自然冷却区内,得出自然对流和辐射即可
满足设计要求。
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大部分散热设计适用于上面这个图表, 因为基本上散热都是通过面散热。 但对于密封设
备,则应该用体积功率密度来估算,热功率密度 =热量 / 体积。下图(图 2)是温升要求不
超过 40℃时,不同体积功率密度所对应的散热方式。比如某电源调整芯片,热耗为 0.01W,
体积为 0.125cm3 ,体积功率密度 =0.1/0.125=0.08W/cm3 ,查下图得出金属传导冷却可满足
要求
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按照上图, 可以得出冷却方法的选择顺序: 自然冷却一导热一强迫风冷一液冷一蒸发冷
却。体积功率密度低于 0.122W/cm3 传导、辐射、 自然对流等方法冷却; 0.122-0.43W/cm3
强迫风冷; 0.43 ~ O.6W/cm3 液冷;大于 0.6W/cm3 蒸发冷却。注意这是温升要求 40℃时
的推荐参考值,如果温升要求低于 40 ℃,就需要对散热方式降额使用, 0.122 时就需要选
择强迫风冷,如果要求温升很低,甚至要选择液冷或蒸发冷却了。
2、散热器的选择
这里面还应注意一个问题, 是不是强迫风冷能满足散热要求, 我们就可以随便选择风扇
转速呢,当然不是,风扇的转速与气流流速有直接关系,这里又涉及一个新概念 —— 热阻。
热阻 =温度差 / 热耗(单位℃ /W )
热阻越小
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