热设计

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“坏”而是用“烧”？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。

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）；另一方面是加强散热，使环境温度和过载引起的热量全部散掉，产品可靠性一样可以提高。

下面介绍下热设计的常规方法。

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。

大部分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。

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。

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，就好像说某件工作，专科学历的知识水平即可胜任，是不是随便抓个大专生就能做好呢，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）
热阻越小则导热性能越好，这个概念等同于电阻，两端的温度差类似于电压，传导的热量类似于电流。

风道的热阻涉及流体力学的一些计算，如果我们在热设计方面要求不是很苛刻，可通过估算或实验得出，如果要求很苛刻，可以查阅《GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册》，里面有很多系数、假设条件的组合，三言两语说不清楚，个别系数我也没搞明白如何与现实的风道设计结合，比如，风道中有一束电缆、风道的壁不是均匀的金属板，而是有高低不平带器件的电路板，对一些系数则只能估算了，最准确的方式反而是实验测量了。

热阻更多的是用于散热器的选择，一般厂家都能提供这个参数。

举例，芯片功耗20W，芯
片表面不能超过85℃，最高环境温度55℃，计算所需散热器的热阻R。

计算：实际散热器与芯片之间的热阻近似为0.1℃/W，则(R+0.1)=(85-55) ℃/20W，则R=1.4℃/W。

依据这个数值选散热器就可以了。

这里面注意一个问题，我们在计算中默认为热耗≈芯片功率，对一般的芯片，我们都可以这样估算，因为芯片中没有驱动机构，没有其他的能量转换机会，大部分是通过热量转化掉了。

而对于电源转换类芯片或模块，则不可以这样算，比如电源，它是一个能源输出，它的输入电量一部分转化成了热，另外很大部分转化成电能输出了，这时候就不能认为热耗≈功率。

以上部分是定量设计部分的内容，在有了一个定量的设计指导后，也有一些具体的工程技巧来帮助实现理论计算结果的要求。

一般的热设计思路有三个措施：降耗、导热、布局。

降耗是不让热量产生；导热是把热量导走不产生影响；布局是热也没散掉但通过措施隔离热敏感器件；有点类似于电磁兼容方面针对发射源、传播路径、敏感设备的三个措施。

降耗是最原始最根本的解决方式，降额和低功耗的设计方案是两个主要途径，低功耗的方案需要结合具体的设计进行分析，不予赘述。

器件选型时尽量选用发热小的元器件，如片状电阻、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(少用锗管)；指示灯采用发光二极管或液晶屏(少用白炽灯)，表面安装器件等。

除了选择低功耗器件外，对一些温度敏感的特型元件进行温度补偿与控制也是解决问题的办法之一，尤其是放大电路的电容电阻等定量测量关键器件。

降额是最需要考虑的降耗方式，假设一根细导线，标称能通过10A的电流，电流在其上产生的热量就较多，把导线加粗，增大余量，标称通过20A的电流，则同样都是通过10A电流时，因为内阻产生的热损耗就会减小，热量就小。

而且因为降额，在环境温度升高时，器件性能下降情况下，但因为有余量，即使性能下降，也能满足要求，这是降额对于增强可靠性的另一个作用，将是另一篇博客文章的内容。

导热的设计规范比较多，挑一些比较常见的罗列：
1.进风口和出风口之间的通风路径须经过整个散热通道，一般进风口在机箱下侧方角上，出风口在机箱上方与其最远离的对称角上；
2.避免将通风孔及排风孔开在机箱顶部朝上或面板上；
3.为防止气流回流，进口风道的横截面积应大于各分支风道截面积之和；
4.对靠近热源的热敏元件，采用物理隔离法或绝热法进行热屏蔽。

热屏蔽材料有：石棉板、硅橡胶、泡沫塑料、环氧玻璃纤维板，也可用金属板和浇渗金属膜的陶瓷；
5.将散热>1w的零件安装在机座上，利用底板做为该器件的散热器，前提是机座为金属导热材料；
6.热管安装在热源上方且管与水平面夹角须>30度；
7.PCB用多层板结构（对EMC也有非常非常大的好处），使电源线或地线在电路板的最上层或最下层…
8.热源器件专门设计在一个印制板上，并密封、隔离、接地和进行散热处理；
9.散热装置(热槽、散热片、风扇)用措施减少热阻：
(1)扩大辐射面积，提高发热体黑度；
(2)提高接触表面的加工精度，加大接触压力或垫入软的可展性导热材料；
(3)散热器叶片要垂直印制板；
(4)大热源器件散热装置直接装在机壳上；
10.密封电子设备内外均涂黑漆可辅助散热；为避免辐射热影响热敏器件、热源屏蔽罩内面的辐射能力要强（涂黑），外面光滑（不影响热敏器件），通过热传导散热。

11.密封电子设备机壳内外有肋片，以增大对流和辐射面积。

12.不重复使用冷却空气；
13.为了提高主要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。

14.抽鼓风冷却方式的选择…
15.风机的选择…
16.被散热器件与散热器之间充填导热膏(脂)，以减小接触热阻；
17.被散热器件与散热器之间要有良好的接触，接触表面光滑、平整，接触面粗糙度Ra≤6.3μm；
18.辐射是真空中传热的唯一方法，1确保热源具有高的辐射系数，如果处于嵌埋状态，利用金属传热器传至冷却装置上；2增加辐射黑度ε；3增加辐射面积s；4辐射体对于吸收体要有良好的视角，即角系数φ要大；5不希望吸收热量的零部件，壁光滑易于反射热。

19.机壳表面温度不高于环境温度10℃
20.液体冷却设计注意事项…
21.半导体致冷适用于…
22.变压器和电感器热设计检查项目…
23.减小强迫对流热阻的措施…
24. 降低接触热阻的措施…
… …
布局：
1.元器件布局减小热阻的措施：
(2)元器件安装在最佳自然散热的位置上；
(2)元器件热流通道要短、横截面要大和通道中无绝热或隔热物；
(3)发热元件分散安装；
(4)元器件在印制板上竖立排放。

2.元器件排放减少热影响：
(1)有通风口的机箱内部，电路安装应服从空气流动方向：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，构成良好散热通道；(2)发热元器件要在机箱上方，热敏感元器件在机箱下方，利用机箱金属壳体作散热装置。

3.合理布局准则：
(2)将发热量大的元件安装在条件好的地方，如靠近通风孔；
(2)将热敏元件安装在热源下面。

零件安装方向横向面与风向平行，利于热对流。

(3)在自然对流中，热流通道尽可能短，横截面积应尽量大；
(4)冷却气流流速不大时，元件按叉排方式排列，提高气流紊流程度、增加散热效果；
(5)发热元件不安装在机壳上时，与机壳之间的距离应>35—40cm
4.冷却内部部件的空气进口须加过滤装置，且不必拆开机壳即可更换或清洗。

5.设计上避免器件工作热环境的稳定性，以减轻热循环与冲击而引起的温度应力变化。

温度变化率不超过1℃/min，温度变化范围不超过20℃，此指标要求可根据产品不同由厂家自行调整。

6.元器件的冷却剂及冷却方法应与所选冷却系统及元件相适应，不会因此产生化学反应或电解腐蚀。

7.冷却系统的电功率一般为所需冷却热功率的3%一6%；
8.冷却时，气流中含有水分，温差过大，会产生凝露或附着，防止水份及其它污染物等导致电气短路、电气间隙减小或发生腐蚀。

措施：1冷却前后温差不要过大；2温差过大会产生凝露的部位，水分不会造成堵塞或积水，如果有积水，积水部位的材料不会发生腐蚀；4对裸露的导电金属加热缩套管或其他遮挡绝缘措施；
… …
上面对降耗、导热、布局的三类措施作了简要的罗列，在我们设计一个系统时，也要有一些系统的指标进行评价和作为设计目标，比如电子设备的进口空气与出口空气温差应<14℃、系统总功耗< ** W、系统用到的电源电压不超过**种（种类越多，变换就多，效率损失就多）…。