两种散热方式设计原理及计算

两种散热方式设计原理及计算

2008-3-10 15:10:00

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一、自冷式热设计原理及计算

在自然对流和辐射情况下，平板散热器垂直安装，型材散热器沟道应该是垂直的。叶片的表面应该涂漆或处理以使其有良好的辐射率，例如铝应该进行氧化处理。

至于强制对流下的散热器，其放置方向并没有硬性的规定，当然仍然是要使冷却空气能通过散热器叶片之间的沟道自由流动为原则。

(一)自冷式热设计公式

由于散热器装上后会使热阻大大减小，而热量总是趋向于向热阻最小的方向流动，因此当电源模块装上散热器后，可以认为，电源模块产生的热量基本上都是通过散热器而散发出去的。只有很少(小于10％)的热量是从电源模块的外壳底板与侧面壁通过热交换而散发出去的。由前面几节的公式我们能求出电源模块所消耗的热量Pd及模块外壳与周围流体(空气)的温差△T。这样散热器所需要的热阻Rth为

下面的任务就是查散热器的产品目录或手册，从中找出与电源模块基板尺寸相当的、在合适环境温度及自然对流与辐射下的热阻值小于Rth的散热器即可。

(二)常用散热器热阻

常用的散热器有平板散热器、型材散热器和叉指形散热器等。又指形散热器由于散热叉指之问的“烟囱效应”利于热对流，所以在相同热阻下，叉指形散热器比其他散热器体积小、重量轻。国产的叉指形散热器型号为SRZ系列。国产的型材散热器型号为XC系列、DXC系列、XSF系列等。表10—3和表10—4分别为国产型材散热器和国产叉指形散热器的型号及其对应的热阻阻值表。

从表10—3和表10—4可见，散热器到环境的热阻随加到散热器上的耗散功率Pd值的增大而略有下降。这是因为当加于散热器上的耗散功率Pd增大时，散热器上的温升△T也随之增大。散热器和环境之间的温差一旦增大，散热器的辐射散热和对流散热的散热能力增强，所以其热阻呈现略有下降的趋势。

如手头一时无型材散热器、叉指形散热器而准备采用铝平板作为散热器时，可查图10—5、图10—6散热器的热阻曲线图，从中选择符合要求的铝平板散热器的尺寸。

(三)自冷散热设计注意事项

1)从散热效果看，散热板制成正方形或圆盘形比较理想。若受加工条件或安装位置的限制而必须制成长方形时，长、宽之比不得超过2：1。

2)散热板与器件相接触的表面应保持光洁、平直(接触面上的凸凹距离小于0．05mm)，没有翘曲和锈蚀。散热板要紧固在器件上，保证两者紧密贴合。器件尽量安装在散热板的对称中心处。散热板应垂直放置，平放会影响散热效果。为改善散热条件，最好在接触面上涂一层导热硅脂。

3)假如要求散热板与器件的金属壳保持绝缘，需在两者之间加一层云母衬垫，并在固定螺钉与器件金属表面之间加上绝缘垫圈和绝缘套筒。加0．05m m厚的云母衬垫之后，Ros约为1．8℃=／W。此外，还可选聚酯薄膜、氮化硼瓷片等绝缘衬垫。

4)散热板应尽量远离电源变压器、大功率晶体管等热源。为提高散热效率，通常把散热板表面处理成黑色。

5)以上是从热传导的角度来设计散热板的，鉴于集成电源工作时管壳温度低于100℃，因此不必考虑热辐射问题。

二、风冷式热设计原理及计算

在许多应用系统中，即使是加装了散热器，也不能保证电源系统工作在规定的温度之下。如果在这种情况下，电源的工作条件(如电气条件、周围流体温度、周围封闭壁的温度、壳温及放置方向等)也得不到很好的改善，那么只能选择强制对流作为散热方式。

(一)根据风速进行散热设计

1．风扇速度计算风扇速度可依据下式进行计算：

因为风扇的参数一般是在自由空气传输中标定的，也就是说在无压力的情况下进行的。而在实际应用系统中，风扇往往要承受系统给予的回压阻力。而这种压力与很多因素有关，很难确定其大小。为此，为了补偿这种压力差的影响，一般要将选用的风扇参数降额60％～80％使用。

2．风冷情况下散热器选择实际上对于一个特定的系统而言，可有各种散热器解决方案，你可以选择一个气流速度较大条件下的小散热器，也可以选择在气流速度较小环境下工作的大散热器。气流速度越高，由风扇产生的噪声越大，但这些缺点可以通过获得较小的系统尺寸来补偿。值得注意的是：当气流速度大于7m／s时，几乎不会再加强冷却效果。当系统中电源是惟一需要散热的设备时，也可以选用带风扇的散热器。

在强制对流情况下，散热器的选择与自然对流情况下的散热器的选择其方法是类似的。虽然流体(空气)温度对决定需要多大的热阻很重要，但不是选择散热器的主要因素，只有气流速度才是选择散热器(与基板尺寸相匹配的散热器)热

(二)根据压差流量进行散热设计根据压差流量进行散热设计时，需要知道散热器和风扇的强制对流特性。散热器的强制对流特性是指散热器到空气间的热阻和通过散热器后的气压差与空气流量的关系；风扇的强制对流特性是指风扇空气流量与气压差的关系。风扇和散热器空气流量与气压差关系曲线的交点就是通过散热器的空气流量(见图10—8)。在这个空气流量下散热器到空气问的热阻，可从散热器的空气流量与热阻的关系曲线上直接读出。确定工作点时，需要考虑以下问题：