外训转内训-热设计

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高空
高空气压 海平面 海平面气压
5. 从电子设备机壳排出的冷却空气温度不能超过71℃ 6. 印制电路板背面30%的面积可用于有效的热传递。自然对流冷却的印制板总的传热表 面积可以达到印制电路板面积的1.3倍。 7. 液体冷却,机箱应留有冷却剂受热后膨胀的空间;冷却液粘度要低,利于降低热阻。
热设计检查表
半导体制冷及其他
半导体致冷片自身功耗大,勿用于大功率冷却,只适用于器件和仪器仪 表的冷却。
冷却功能模块的电功率一般为所需冷却功率的3%—6%。
热导管散热
热设计规范
热设计前,要了解热设计有关技术要求、冷却功率、散热 器热特性、设备所处的工作环境、冷却剂及与冷却系统相关的
1. 降额使用:降额,可有效减少温升; 2. 根据器件的温度系数计算参数温漂对系统的影响; 3. 器件选型:同样功能的低功率器件、温度不敏感元器件;片状电阻、线绕电阻(少 用碳膜电阻)、独石电容、钽电容(少用纸介电容)、MOS/CMOS电路、硅管(少用 锗管)… 4. 高热、辐射大元件安装在同一PCB,密封、隔离、接地和散热处理。 5. 发热元件不能密集安装; 6. 元器件的合理布局,减小热阻; 7. 散热装置与元器件接触面平整、光洁,涂敷导热材料(硅脂、铝、铜); 8. 内部电路安装服从空气流动方向:进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集 成电路→小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口; 9. 散热器叶片要垂直印制板; 10. 发热元器件在机箱上方,热敏元件在机箱下方 11. 优选机箱金属壳体作散热装置,尤其是密封机箱内大热量元件;
和资源时,它能实现要求的功能。
软件称为“可维护性”
定义来源 GB/T11457-95
1. 修复率(μ ) 2. 平均系统修复时间(MTTR):包括诊 断问题的时间、维修技术人员到位的 时间以及实际维修系统的时间 3. 平均维修时间 GJB451-90、GJB/Z91-97 4. 平均修复时间 5. 最大修复时间
热设计-辐射
1. 被散热器件与散热器的接触表面光滑平整,接触面粗糙度 Ra≤6.3μ m; 2. 辐射是真空中传热的唯一方法。 3. 增加辐射黑度ε。 4. 增加辐射面积S 5. 辐射体对于吸收体要有良好的视角,即角系数ф要大。 6. 热源附近的电子设备机箱避免处理为黑色. 7. 室外阳光直晒的地方, 机箱处理为银白色
热设计
RAMS介绍
可靠性(Reliability) 可用性(Availability) 可维修性(Maintainability)安全性 (Safety)
RAMS是贯穿产品整个生命周期,从对产品的可行性分析研究 到产品报废的整个生命周期过程中,需要建立可靠性、可用性、可 维修性和安全性的RAMS论证过程,通过RAMS论证建立RAMS要 求,并将RAMS参数综合到要求形成过程中;
热设计-线路板
1. 散热器直齿结构,齿槽垂直于水平面; 2. 单板布局要求:大功率发热源在出风口、热敏感器件远离热源、电解电容远 离热源;. 3. 大功率电阻须满足在预计温度下的功率降额,同等功率电阻优选大体积; 4. 电感和变压器既是发热器件也是热敏感器件,需散热和远离热源;
5. 自然冷却散热器:A 自然冷却时温度边界层较厚,齿间距太小,两个齿的热
系统可靠性模型
导通为正常
R=Ra*Rb; 截流为正常
R=1-(1-Ra)*(1-Rb)
系统失效率的影响因 素
s 元 0 k1 k2 k3 k4 k5 N
整 机 失 效 率 器 件 平 均 失 效 率 降 额 因 子 老 练 环 筛 境 选 因 效 子 果 因 子 试验室0.5~1 机 械 结 构 因 子 制 造 工 艺 因 子 元 器 件 个 数 0.1~0.5 (1~10)*10-2
边界层易交叉,影响齿表面对流,所以自然冷却散热器齿间距≥ 12mm;如 散热器齿高≤10mm,可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距;B 散 热齿表面不加波纹齿;C 自然对流散热器表面发黑处理,强化辐射换热;D 自然对流达到热平衡的时间较长,所以散热器基板及齿厚应足够,以抗击瞬 时热负荷的冲击,优选≥5mm。 6. 导热:导热系数大的金属材料做导热材料;利用机壳或底板进行散热;缩短 导热通路。
自然冷却 1)是否使用最短的热流通道?
2)是否采用金属作为导热通路?
3)电子元件采用垂直安装和交错排列? 4)对热敏感的元件是否与热源隔离,当二者距离小于 50mm,是否采用热
屏蔽?
5)对发热功率大于1W的器件,是否安装在金属底座或与金属散热器具有 良好的导热通路? 6)热源的表面黑度是否足够大? 7)是否有供通风的百叶窗? 8)对密闭式热源是否有良好的导热通路?
热设计检查表
强迫风冷
1)流向发热元件的空气是否经过冷却、过滤? 2)是否利用顺流气流对发热元件冷却? 3)气流通道大小是否适当?是否畅通? 4)机的容量是否适当? 抽风/吹风选择是否恰当? 5)风机的电动机是否得到冷却? 对风机故障是否采取防护措施?

T= 0.05 Q/V
基于机柜内耗散功率均匀分布的前提
威图机柜经验公式:10℃/260W
局部散热风冷计算
V= Q
C*ρ*△T
V:强制风冷系统必须提供的风量m3/h Q:待冷却设备或部件的总耗散热量W C:空气的比热J/(Kg•℃) ρ :空气的比重kg/m3 △T:出口处和进口处的空气温差 空气的出口温度根据设备内各单元允许的表面温度确 定; 本计算公式忽略了辐射和自然对流的散热(一般有10% 左右),因此计算出的风量会稍大
传导散热
Ta:环境温度40—60℃ Tj:结温125 ℃ P:热耗≈功率 (对非能量转换器件) Rja:热阻 Rja=Rjc+Rcs+Rsa Rjc: Datasheet; Rcs:用导热油脂或导热垫后再与散热器安装,0.1—0.2 ℃ / W; 若器件底面不绝缘另加云母片绝缘,则选1 ℃ / W; Rsa:散热片的热阻。
可用性设计规范
可维修性设计规范 软件可靠性设计规范
热设计规范
热设计基础 • 基本概念 • 传导散热 • 风冷散热 • 半导体制冷 • 其它制冷方式 热设计规范 热设计检查表
热设计基本概念
热设计的目的
采用适当可靠的方法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稳定运行要 求的最高温度,以保证产品正常运行的安全性,长期运 行的可靠性。
MT BF R (t )dt
0

R(t)是设备的可靠度
R (t ) e 0
( t ) dt
t
可靠度成指数分布,即失效率为一个常数,则 MTBF=1/λ
可维修性
按规定使用条件,在给定时间间隔内,产品保持在某一指定状
态或恢复到某一指定状态的能力。 在此状态下,若在规定的条件下实现维护并使用所指定的过程
传导散热
散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理,其目的是提高 散热效率及绝缘性能。 自然冷却下可提高10-15%, 通风冷却下可提高3%; 电泳涂漆可耐压500-800V。
风冷散热
设计方法: 1. 确定冷却空气入口和出口的温度和压力;
2. 确定每个电子元器件的最高允许温度(或温升);
3. 根据电性能和空间位置以及冷却功率的要求,确定电子元 器件的排列和布置方式; 4. 确定雷诺数; 5. 根据系统的结构尺寸和规定的雷诺数,计算空气流过每个 电子元器件或元器件组的质量流量(或体积流量); 6. 计算系统的总压力损失及需要的冷却功率。
风冷散热
Q:机柜内的散热功率(W) V:风机的体积流量(m3/min)
设计注意点
1. 为防止气流回流,进口风道的横截面积应大于各出口分支风道截面积之和。 2. 在冷却气流流速不大的情况下,元件按叉排方式排列,这样可以提高气流的紊流程度 、增加散热效果。
3. 集成块较多的印制电路,可以在集成元件间加紊流器,以提高换热效果。
4. 高原高空的电子设备对流换热系数为:
α =α
安全性
安全性:是一个相对概念,风险低于预期的程度。包括: ① 辨识 ② 测定与分析 ③ 定量化,对危险发生概率及可能的伤害程度进行评定; ④ 控制与处理 ⑤ 技术措施如消除、避开、限止、转移;
⑥ 管理措施如检查、教育、训练。
⑦ 综合评价,危险度等级评定,与要求比较后,判明安全 水平。
可用性
可靠性
温度差 = 热耗 * 热阻
热耗
热设计基本概念
风量(风速):1CFM=0.0283m3/min
热功率密度:单位体积内的热功率
热流密度:单位面积的热流量
对流换热系数:
流体与固体表面之间的换热能力, 即:物体表面与附近空气温差1℃、 单位时间、单位面积上通过对流与 附近空气交换的热量。单位为 W/(m2·℃)。
热设计-机箱
1. 采用强迫风冷系统时,应保证机箱内产生足够的正压强。 2. 减小自然对流热阻的方法:流体流经过的是垂直表面,即面对流体的表面向上。 3. 进入电子设备的空气与排出的空气之间的温差不应超过14℃; 4. 不重复使用冷却空气;在不影响电性能的前提下。将发热量大的元件集中在一起,并
与其他元件采用热绝缘,可使系统所需风量、风压下降,从而可减小通风机的电机功
率。 5. 通风系统进出口远离避免气流短路。 6. 为提高发热元件的换热效率、可将元件装入与其外形相似的风道内。 7. 抽风冷却主要适用于热损耗比较分散的整机或机箱,其特点是风量大、风压小,各部 分风量分布比较均匀。 8. 鼓风冷却主要用于单元内热量分布不均匀的情况,各单元需要有专门的风道冷却,风 量较大,因此,风压大,风量比较集中。 9. 轴流式风机风量大、风压小;离心式风机风压高、风量小。
定义:在规定条件下、规定时间内、完成规定功能的能力。 规定条件:指使用条件、环境条件、操作技术、维修方法等, 如应力、温度、湿度、尘砂、腐蚀等 规定时间:可靠性区别于其他质量属性的特征。 规定功能:规定的功能 固有可靠性+使用可靠性
可靠性指标
λ (t)是失效率,它是时间的函数。 MTBF / MTTF
技术数据。
热设计-风道
1. 热源接近出风孔;
2. 热敏器件不在热流通道; 3. 元器件和结构距离≥ 13mm,利于空气流动;
4. 变压器靠近出风孔;
5. 大功率电阻和整流二极管不紧贴印制板; 6. 结构设计成烟囱原理抽热风;
7. 进出风孔不宜太近。
热设计-隔热
1. 热屏蔽板隔开(抛光的金属薄板,黑度小); 2. 散热≥1W器件安装在金属底盘上,或安装传热通道通至散热 器。 3. 屏蔽罩内面涂黑,辐射能力强,外面光滑反射热能力强; 4. 自然对流换热效率低,3-10W/m2℃,≥40℃温升考虑对流散 热; 5. 物理隔离法或绝热法进行热屏蔽的材料:石棉板、硅橡胶、泡 沫塑料、环氧玻璃纤维板,金属板和浇渗金属膜的陶瓷; 6. 发热元件与机壳之间的距离大于35—40mm; 7. 保持热环境近似恒定,减轻热循环与冲击; 8. 直接气冷时,气流中所含水份及其它污染物不得滴入带电部件 9. 机壳的最大热流密度不超过0.039W/cm2 ,机箱温度不高于标 准要求,一般不超过42℃;
风扇
扇叶的数量、形状和倾斜程度都影响着散热效果。 (1)转速和风量 转速越高、扇叶面积越大,出风量也越大(还跟扇叶角度有关); 单位时间内风量↑,空气流动↑,带走热量↑,散热效果越好。 (2)风扇轴承 滑动轴承:成本低,摩擦力大,润滑油挥发或轴承受损常致风扇噪 音过大甚至停转,故障率高; 滚珠轴承:成本高,噪音大,可靠性高,高档散热器风扇用滚珠轴 承。
工程设计近似估算: 1. 小功率器件(电子元器件):热耗≈功耗; 2. 大功率设备:近似热耗≈0.75*功耗; 3. 电源模块:散热量≈(10%--25%)×功耗;转换效率75%-90%,
热设计基本概念
R 热阻 ℃/W = 温差 ℃ △T / Q 热耗 W
U R Βιβλιοθήκη Baidu 温度差 热阻 电压 = 电流 * 电阻
5
1.5~2.5
1.5~3.5
RPN=S*O*D 风险系数=危害×概率×可探测度
(1~3)*10-
室内1.1~10 陆地固定5~10 车载13~30 舰船载10~22 机载50~80
电路可靠性设计规范
降额设计 热设计规范 电路安全性设计规范 电路板EMC设计规范 PCB设计规范
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