结构设计与热设计

电子电气产品结构设计

在电子行业中的结构设计一般是：在电子设备中，由工程材料按合理的连接方式进行连接，且能安装电子元、器件及机械零、部件，使设备成为一个整体的基础结构，能够实现预定的电气、结构等功能。

而在电子行业中由于各种标准（国家标准、国际标准、行业标准等）对我们的设备提出了不同的要求。如标准YD-T 1095-2000《通信用不间断电源UPS》标准、《UL1778》等。

其中标准要求有：

4.1 环境条件

4.1.1 正常使用条件

环境温度：5°C~40°C；相对湿度≤93%[（40±2）°C，无凝露]

海拔高度应不超过1000m；若超过1000m时按GB/T3859.2规定降容使用。

4.1.2 贮存运输环境及机械条件

温度：-25°C ~ +55°C（不含电池）

振动、冲击条件应符合GB/T 14715-93中的5.3.2规定。

4.2 外观与结构

4.2.1 机箱镀层牢固，漆面均匀，无剥落、锈蚀及裂痕等现象。

4.2.2 机箱表面平整，所有标牌、标记、文字符号应清晰、正确、整齐。

4.2.3 各种开关便于操作，灵活可靠。

4.4 电磁兼容限值

4.4.1传导干扰

在150KHz~30MHz频段内，系统电源线上的传导干扰电平应符合YD/T 983-1998

中5.1表2中规定的限制。

4.4.2 电磁辐射干扰

在30MHz~1000MHz频段内系统的电磁辐射干扰电压电平应符合YD/T 983-1998

中5.2表4中规定的限值。

4.4.3 抗干扰性能要求

应符合YD/T 983-1998中7.3表9中规定的判断准则。

第一讲结构设计与热设计

电子电气行业中的热设计是指，采用适当可靠的方法控制电子设备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，以保证设备正常运行的安全性和长期运行的可靠性。

在UPS中，主要的热源来自于开关管（IGBT、三极管、二极管等）、磁性元件（变压器、电感等）等。由于开关管体积较小，其热密度较高，开关管的散热主要是采用传导的方式将热量传递到散热器上，再通过对流的方式散发到空气中。磁性元件体积相对较大，其主要的散热方式为对流散热。在UPS的热设计中除了主要考虑开关管、磁性元件外还需要考虑寿命受温度影响很大的电容。

1．结构设计与热设计的关系

1．1开关元件与散热器的安装，安装开关元件与散热器的扭矩应合适，使两者之间有较小的接触热阻：安装扭矩太小不能使元件与散热器良好接触，形成较大的热阻；扭矩过大能导致管荷产生应力和构件产生塑性变形，接触面反而减小，甚至结构破坏。因而在设计安装时应对元件采用厂家或标准中给出的预紧力。在我们产品中开关元件与散热器安装主要有三种方式：

铝基板无铅焊接孔洞

1．2

热设计对结构强度以及空间要求。在开关管散热设计时多采用铝型材作为其散热

器，这样将不可避免的增大固定设计的强度。而合理的利用散热器能够减轻整机的重量并缩小占用的空间。

1．3 热传递的方式主要有传导、对流、辐射三种方式。在结构设计时应为热设计提供散热的途径。

对于自然冷却型机器除了热传导和热对流外，热辐射散出去的热量也占有多于1%的量，必要时可以通过涂漆增大辐射散热。结构上应提高机壳对外界的传热能力

对于风机强制冷却，99%以上的热都是通过热传导和对流散出去，结构设计应为其提供良好的风道。

图a ，没有设计风道

图b ，设计好风道

变压器

热交换孔

1．4 强制风冷时，结构设计造成的风阻以及噪音的影响。

采用强制风冷时，应注意风机与开孔面板之间的距离以避免噪音的影响

1． 5开关管与散热器接触之间的绝缘材料一般有陶瓷和相变材料进行基本绝缘，对于

开关管的散热器与金属外壳连接部分结构上需要进行加强绝缘的设计。

1．6由于风扇的寿命有限，因而必要时需要对风扇进行易拆换的结构设计。

网孔

网孔

2．热设计的基本原则以及对整机系统布局的要求。

2．1 热设计的基本原则

保证热控制系统具有良好的冷却功能，保证设备内的电子器件均能在规定的热环境中正常运行，每个元器件的位置必须符合安装要求。

保证设备散热系统的可靠性，在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应比元器件的故障率低。

散热系统应有良好的热适用性。设计中可调性必须留有余地，因为设备运行一段时间后，由于工程上的变化，可能惠引起损耗或流体流动的阻力增大，则要求增大其散热能力，以便无需多大的变更就能增加其散热能力。

散热系统应具有良好的可维修性。

散热系统应具有良好的经济性。经济性包括热控制系统的初次投资成本、日常运行和维修费用。

设计一个性能良好的散热系统，应综合考虑各方面的因素，使其既能够满足热控制的要求，又能达到电气性能指标，所用的代价小，结构紧凑、工作可靠。

2．2 热设计对整机系统布局要求.

对温度敏感的热敏元件应放在设备的冷区，不应放在发热元件的附近以免热量对其影响

元器件的布置可根据其允许温度分类，允许温度较高的元件可放在允许温度较低的元器件之上，也可以根据耐热程度按递增的规律不知，耐热性好的元器件放在冷却气流下游，耐热性差的元器件放在冷却气流的上游。

带引线的电气元器件应尽量利用引线导热，安装使防止产生热应力，应有消除热应力的结构措施。

电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性以及有利于提高气流紊流程度

应尽量减小安装截面热阻以及传热路径上的热阻

元器件的安装应便于维修

2．3 元器件之间的热屏蔽

尽可能将通路直接到热源

减少高温与低温元器件之间的耦合，必要时加热屏蔽板形成热区和冷区

尽量降低空气或其它冷却剂的温度梯度

将高温元器件安装在内表面具有高的黑度、外表面低黑度的外壳中，这些外壳

与散热器有良好的导热连接。元器件引线是重要的导热途径，引线尽可能粗大。

3．结构设计改善风道的方式

3．1整机布局使系统内的气流流畅。