电子产品热设计培训稿

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三、机箱自然对流热设计 (一)印制板之间的合理间距
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三、机箱自然对流热设计 (二)选择功率器件时的热设计原则
(1)在其它性能参数相同的情况下,应优先选用允许结温 Tj 高的功率器件 (根据供应商手册提供的数据进行筛选)。 (2) 在其它性能参数相同的情况下,应优先选用结壳热阻 Rjc 较小的功率器 件(根据供应商手册提供的数据进行筛选)。 (3)在其它性能参数相同的情况下,优先选用封装尺寸较大的功率器件(根 据 供应商手册提供的数据进行筛选),以减小器件与散热器间的接触热阻 Rcs。 (4)对于 MOSFET 器件,在结壳热阻 Rjc 相近的条件下,应优先选用 25℃下 RD(ON)较小的器件。 (5) 对于IGBT器件,在结壳热阻Rjc相近的条件下,应优先选用相同门极电阻 下开关能量较小的器件。
内部元器件允许的最高温度,根据热设计目标及设备的结
构、体积、重量等要求进行热设计,主要包括冷却方法的
选择、元器件的安装与布局、印制电路板散热结构的设计
和机箱散热结构的设计。
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二、热设计的方法
(一)热设计目标的确定 热设计目标通常根据设备的可靠性指标与设备的工 作环境
条件来确定,已知设备的可靠性指标,依据GJB/299B- 1998《电子设备可靠性预计手册》中元器件失效率与工作 温度之间的关系,可以计算出元器件允许的最高工作温度, 此温度即为热设计目标。工程上为简便计算,通常采用元 器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。
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三、机箱自然对流热设计
(五)PCB 板的热设计原则
(2)印制板的散热 f. 对塑封器件和 SMD 封装的元器件, 通过管脚散热成为主 要的散热器途 径之 一,其热设计应满足 以下原则:
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三、机箱自然对流热设计
(五)PCB 板的热设计原则
(3)PCB 焊盘的隔热设计 较大的焊盘及大面积铜皮对管脚的散热十分有利,但在过波峰焊或回流焊时
由于铜皮散热太快,容易造成焊接不良,必须进行隔热设计,常见的隔热设计 方法如图 7 所示。
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三、机箱自然对流热设计
(六)散热器的选择与设计 散热器需采用的自然冷却方式的判别
对通风条件较好的场合,散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2可采用自然冷却。
对通风条件较恶劣的场合: 散热器表面的热流密度小于 0.024W/cm2可采用自然冷却。
首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。
由于体积功率密度很小,而热流密度值与自然空气冷却的最大热 流密度比较接近,所以不需要采取特殊的冷却方法,而依靠空气自然 对流冷却就足够了。
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三、机箱自然对流热设计 影响自然对流冷却的主要因素
印制板的间距 电子元件耗散功率及布局 自然对流换热表面传热系数 机箱表面和环境空气之间的温差 机箱表面积
在电子设备的设计阶段获得温度分布的方法,它可以使电子设 备设计人员和可靠性设计人员在设计初期就能发现产品的热缺 陷,从而改进其设计,为提高产品设计的合理性及可靠性提供 有力保障。 (4)热试验 将电子设备置于模拟的热环境中,测量其温度或温 度分布。
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一、热设计基本知识 热设计的有关概念
(5) 热流密度 单位面积的热流量。 (6) 体积功率密度 单位体积的热流量。 (7) 热阻 热量在热流路径上遇到的阻力(内热阻、外
0.90
0.90
85
100
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二、热设计的方法
(二)常用冷却方法的选择和设计要求 电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫
液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其 它冷却方法(如导热模块、冷板技术等)。其中自然冷却、 强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。
(8) 采用强迫风冷的条件:在常压下,强迫风冷的应用范围为 0.04-0.31w/cm²,小于0.04w/cm²采用自然冷却,大于0.31 w/cm²须采用水冷或其它表面冷却。
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二、热设计的方法 (四)常用冷却方法的热流密度
冷却方法 自然对流 强迫风冷 空气冷却板 液体对流冷却 液体冷却板 蒸发冷却
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三、机箱自然对流热设计 (三)元器件布局的热设计原则
(1)电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的 辐射, 对流进行散热的,所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆,放置 位置应便于对流 散热并加大与其它元件之间的距离。 (2) 对不加屏蔽罩的变压器,铁芯与支架、支架与固定面之间应有 良好的 接触,以使接触热阻最低;
a. 尽可能增大接触面积。 b.确保接触表面平滑。 c.利用软材料接触。 d.扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)。 e.利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀。
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三、机箱自然对流热设计
(五)PCB 板的热设计原则
PCB 板热设计的主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部(散热器和大 气中)。 (1) 印制线的载流容量和温升设计印制板时要保证印制线的载流容量,印制线的宽度必须 适于电流的传导,不能引起超过允许的温升和压降。 在实际应用中,常有较大电流流过输 出端铜箔,如果输出铜箔设计的过细,则会导致铜箔的温度上升。印制电路板的材料、导 电铜箔的厚度、容许温升将影响到铜箔厚度应该多宽、能承受多大电流。一般对1盎司的 环氧玻璃板,如果允许温升小于10℃(考虑到系统内部的环境温度可能超过70℃) ,则一般 可按1A电流取1mm宽铜箔的经验数据进行铜箔设计。如假如流过的电流为5A,对1盎司的 环 氧玻璃板,其铜箔宽度可取5mm。实际可按照容许温升的大小按照右图进行选择。
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二、热设计的方法
(三)热设计遵循的原则
(1) 进行产品的热设计应与电气设计、结构设计同时进行,平 衡热设计、结 构设计、电气设计各种需求。
(2) 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标 准。
(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 热环境中正常工作,并保证达到设定的 MTBF 指 标。
(4)各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要 求。 a、元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 b、根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。 c、模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热 保护回路, 以提高系统的可靠性。
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二、热设计的方法
(三)热设计遵循的原则
电子设备热设计培训
Oct 31th, 2017
目录
一.热设计基本知识 二.热设计的方法 三.自然对流热设计
四.强迫对流热设计 五.机箱的热设计
六.产品热设计检查
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一、热设计基本知识 热量产生的原因
工作过程中,功率元件耗散的热量。 电子设备周围的工作环境,通过导热、对流和辐射的形式,
(10)冷板 利用单相流体强迫流动带走热量的一种换 热器。
(11)热沉 是一个无限大的热容器,其温度不随传递 它的热能大小而变化。它可能是大地、大气、大体积 的水或宇宙等。又称热地。也称“最终散热器”。
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二、热设计的方法

电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设备
所处的环境条件确定热设计目标,热设计目标一般为设备
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一、热设计基本知识
热设计的有关概念
(1)热设计 利用热传递特性通过冷却装置控制电子设备内部所 有电子元器件的温度,使其在设备内所处的工作环境条件下, 不超过规定的最高允许温度的设计技术。
(2)热评估 评估电子设备热设计是否合理的方法和手段。 (3)热分析 又称热模拟,是利用数学的手段,通过计算机模拟,
(4) 在PCB上布置各种元器件时,应将功率大、发热量大的元器件放 在边沿 和顶部,以利于散热。 (5)应将不耐热的元件(如电解电容)放在靠近进风口的位置,而将本身 发 热而又耐热的元件(如电阻,变压器等)放在靠近出风口的位置。 (6) 在 PCB 上布置各种元器件时,应将功率大、发热量大的元器件放 在出风口的位置。 (7) 对热敏感元件,在结构上应采用“热屏蔽”方法解决。
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三、机箱自然对流热设计
(四)元器件安装设计原则
元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻,即接触热阻。 (1)为尽量减小传导热阻,应采用短通路,即尽可能避免采用导热板或散热块把元器件 的热量引到散热器表面,而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散 热措施。 (2)为了改善器件与散热器接触面的状况,应在接触面涂导热介质,常用的导热介质有 导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。 (3) 对器件须与散热器绝缘的情况,采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能,且能 够承受一定的压力而不被刺穿。 (4) 把器件装配在散热器上时,应按一定的安装压力或力矩进行装配,压力不足会使接 触热阻增加,压力过大会损坏器件。 (6)对于多层印制线路板,应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热阻。这些小孔就 是热通路或称热道。 (7)当利用接触界面导热时,采用下列措施使接触热阻减到最小。
热阻、系统热阻)。温差越大,热流量就越大。△T=RQ 热阻的单位是℃/W。
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一、热设计基本知识
热设计的有关概念
(8)热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流 路径图。
(9)功耗 电子设备工作时需要电功率,因为元器件 并非完全有效,因而有不少功率转换成热。如果找不 到一条通路来散热,温度就会升高。这个热流量就是 功耗。
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二、热设计的方法
(一)热设计目标的确定
工程上为简便计算,通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值 做为热设计目标。
(对额定结温为 125℃的功率器件, 工作结温小于 100℃.一般按0.8算)
双极型数字电路降额准则
降额参数


输出电流
最高结温℃
降额等级



0.80
0.90
0.90
0.80
(5)在进行热设计时,应考虑相应的设计冗余,以避免在使用 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。
(6)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。
(7) 采用自然冷却的条件:常压下单位面积的最大功耗:小于 0.024-0.039w/cm²,上限适应于通风条件较恶劣的情况,下限 适应于通风条件较 好的场合。
将热量传递给电子设备。 电子设备与大气环境产生相对运动时,各种摩擦引起的增
温。
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一、热设计基本知识 热设计的目的
电子设备的热设计是指利用热传递特性对电子设备的耗热 元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计,以 对它们的温升进行控制,从而保证电子设备或系统 正常、 可靠地工作。
热传递的方式:传导、对流、辐射。
对带屏蔽罩的变压器,外罩必须与固定面良好接触,把变压器的 固定面用 支架垫高,并在底板上开通风孔,以形成气流对流。 (3)对模块内部不能够吹到风的PCB板,在布置元器件时,元器件 与元器件之间,元器件与结构件之间应保持一定距离,以利空气流动, 增强对流换热.
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三、机箱自然对流热设计 (三)元器件布局的热设计原则
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三、机箱自然对流Biblioteka Baidu设计
(五)PCB 板的热设计原则
(2)印制板的散热设计 a. 选用厚度大的印制线,以利于印制线的导热和自然对流散热。 b. 减小元器件引线腿及元器件引线间的热阻,增强元器件引线腿对印制 线的热 传导,增强导电性。 c. 当元器件的发热密度超过 0.6W/cm3,单靠元器件的引线腿及元器件本身不足 充分散热,应采用散热网、汇流条器等措施。 d. 若发热密度非常高,则元器件应安装散热器,在元器件和散热材料之间应涂 抹导热膏。 e. 以上措施仍不能充分散热时,就应采用热传导性能好的印制板,如金属基底 印制板和陶瓷基底(高铝陶瓷、氧化砖陶瓷、冻石陶瓷)印制板。
热流密度(W/cm2) 0.08 0.3 1.6 0. 5 160 770 14
二、热设计的方法 (四)常用冷却方法的体积功率密度
常用冷却方法的优选顺序:自然散热、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却 15
二、热设计的方法
冷却方法的选择示例:
功耗为300W的电子组件,拟将其安装在一个248mm× 381mm ×432mm的机柜里,放在正常室温的空气中,是否需要对此机柜进行特 殊的冷却措施?是否可以把此机柜设计得再小一些?
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