机构部热设计培训讲义-ltg

Noise Change:
3dB Just noticeable 5dB Clearly noticeable 10dB Twice (or half) as loud
ISO
3741/3744/3745
无响室要求
● ● ● ●
无响室容积应大于被测试声源体积的50倍 对于半无响室，声音反射面的吸音系数应<0.06 背景噪音应比被测声源小至少15dB(A)，一般要求低于16dB(A) 假设目标噪音与背景噪音的差值为△LP，则有： △LP<6dB——测量结果无效 6dB<△LP<15dB——测量结果需要修正,修正公式如下：
元件损耗 layout
散热技术、冷却空气流量、散热面积、等宏观参数
分析可行性、可靠性、成本评估……
●理论分析 ●CFD模拟
●实验确认
分析模型
●理论分析 ●CFD模拟
●实验确认
●理论分析 ●CFD模拟
●实验确认
依据温升测试结果，判定产品是否合格
改善温升状况
调
更换电气元件 降低损耗
整
散热片、风扇、风道、 结构、散热方式
4.3.4 风扇进出风孔 各风扇厂商一般都会定义每款风扇的最佳进出风孔形状和尺寸
一般出口比进口稍大
但也有一样大的 一般对小尺寸风扇 不同厂家、不同型号风扇推荐的尺寸略有不同
120X38fan修Fra bibliotek前修改后
4.4.1 自然散热箱体
热流工程师 确定进风面积
进、出风孔尽量远离
出风面积≌ 1.5-2倍 进风面积
Sound Pressure Level, Lp 140 120 100 80 60 40 20 0 [dB]
计权声级曲线
Lp
[dB] Lin. 0 D -20 A B -40 C B+C A D
• • • •
500 1k 2k
-60 10 20 50 100 200
A计权声级模拟人耳对55dB以下低强度噪声的 频率特性； B计权声级模拟55dB到85dB的中等强度噪声的 频率特性； C计权声级是模拟高强度噪声的频率特性； D计权声级是对噪声参量的模拟，专用于飞机 噪声的测量。 Frequency [Hz]
它是表征材料导热能力优劣的物性参数。 定义热流密度：
Q q A
Rt
W/m 2
A
K/W
对于平板的导热热阻：
二、对流换热
⑴ 基本概念及计算式
自然对流 流动产生的原因 强迫对流
层流 流动性质 湍流
牛顿冷却公式：
Q AT
其中α为对流换热系数，单位W/(m2· K)，表征了换热表面的平均对流换热能力， 有时也用h表示。 α与表面流速的0.5~0.8次幂成正比。
矛盾统一
● 关注点不同会产生不同的设计要求，如开孔要求可能影响材料强度 或不能使各元器件达到最佳摆放位置 ● 两者需要互相妥协和优化，达到最佳平衡。
同步进行
● 在系统级设计中，两者基本同步进行 ● 盲目优先和不顾及对方的设计最终可能使自己的设计要推倒重来， 得不偿失。
☺热设计工程师与其他RD工程师之间的互动

热阻的串联： R=R1+R2
Th

R1
热阻的并联： 1/R=1/R1+1/R2
Th R2
Tl
以散热片IGBT为例说明
h
air
HS
k
TO247
ε
die Rjc
case HS Rcs Rs
HS Rsa Rε air
air
R=(Rjc+Rcs+Rs)+(Rsa//Rε)
如何减小热阻？
选用低热阻元件或材料（k） 扩大散热面积（h） 加大风速（h ) 减小接触热阻（k’）
机构部热设计培训讲义
Rockie Lu 2010-06-08
主要内容
引言 热设计流程 热设计理论 风道和开孔设计 噪音测试 绝缘材料


为 什 么 要 进 行 热 设 计
引言
热 设 计 与 结 构 设 计 的 关 联 性
为什么要进行热设计
体积缩小，功率增加，热流密度急剧上升 热设计是器件、设备和系统可靠性设计的一项主要内容 散热问题是制约设备小型化的关键问题 电子设备55%的失效是温度超过规定值引起的，随着温度的增加， 电子设备的失效率呈指数增长
吹风系统 系统流场集中，适合局部强冷； 箱内正压，利于防尘； 风扇马达热量进入系统。 噪音更大 一般来讲，散热能力更大
使压损最低 提供足够的通风面 积 照顾局部散热
4.3.1 开孔形状和大小
•Square •Round
•Hexagon al
开孔率 不变
结论： （注：开孔面积一样，孔均匀分布，整个开孔区域均匀垂直通风）
静压-动压-全压
典型腔室结构抽风风洞
前腔室静压和 环境压差
前后腔室压差
局部压力损失
风扇P-Q曲线
表示风量与风压的关系
风扇不稳定区
P
Q
风扇的串并联
风扇的串联 风扇的并联
Pmax=Pmax,single x num. of fans Qmax= Qmax,single Qmax=Qmax,single x num. of fans Pmax= Pmax,single
风道设计要点
● 风会自己选择压损最小的路径
尽量减小主风道上的压力损失
平衡整体散热和局部散热
需要考虑噪音、外观等非温升 因素
4.2.1 风道设计Ⅰ
4.2.2 风道设计Ⅱ
分流
• 如果风道下游温 度较高，上游过 于凉快，则可引 一部分风绕开上 游元件直接到达 下游。 这一部分空气最 好是先与上游的 热空气混合后再 一起流过下游元 件，可提高散热 效率。
由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：
1 Rt A
三、辐射换热
热辐射的研究波长范围在0.1μm～100μm之间，且大部分电子设备的辐射能量 集中在红外波段。热辐射主要取决于表面温度。
黑体的辐射力（斯忒藩—玻尔兹曼定律）：
T Eb 5.67 100
4
W/m2
实际物体的的辐射力：
流量(Q) ——单位时间内通过风道某一横截面的流体体积。流量与平均流 速成正比，单位是m^3/s。 系统阻抗曲线(SRC) ——把风 道所影响的范围作为系统，则系统总 压损随流量的变化而变化，二者的关 系曲线为系统阻抗曲线（右图的Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ）
系统压损=网孔压损（P=0.828*Q2 /A2,国际单位制） +机箱内压损（约10Pa）(TITAN机种经验)
5k
10 k 20 k
*采用A计权声级测得的声压级dB通常记为dB(A)
Lp1 = X dB
声源叠加
Lp2 = XdB
Lp1 + Lp2 = X + 3 dB
L+ dB 3 2
1.4 dB
1 0
Ex: LS LN L L+ LS+N
= 60 dB = 56 dB = 4 dB = 1.4 dB = 60+1.4=61.4dB
电气工程师
元件功耗
机构工程师
结构布局
Layout工程师
PCB上布局
热设计工程师
降低元 件功耗 建议 修改进出通风 口尺寸与风扇 大小的建议 完成热设计， 给出调整方案 修改PCB板 布局建议
电气工程师
机构工程师
Layout工程师
理论分析
CFD模拟
实验确认
●理论分析 ●CFD模拟
●实验确认
结构尺寸 规格书
热流工程师 确定进风量 选择风扇
模块出风 SO
机柜通风面积: S＝(1.5-2.0)(N×S0) N---机柜中模块的数量
机柜出风 S
自然散热箱体
插队提一下
5
听不见， 就是听 不 见。。。
噪
音
声压和声压级
Sound Pressure, p [Pa] 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001
4.1
基本概念
要素：压损（R）——与流速的平方成正比;单位是Pa。包括：
① 沿程压力损失。它是由流体流经管道壁面时与壁面之间的摩擦引起，也称为静压损失。 ② 局部压力损失。它是由流体进、出口以及流经弯头、截面突变、滤网等处引起的，也 2 称为动压损失。 v2 pl f l v pc de 2 2
T E Eb 5.67 100
4
W/m2
注：上面两个公式中的温度均为绝对温度，而非摄氏温度。 黑度ε（发射率）：取决于物体温度、种类和表面状况.
导热问题的热电比拟关系：
电位差U 温差T 导热量Q 电流I 电阻R 热阻R t
R1 R2 Tl


热阻定义：
Rt
T (K/W) Q
总热阻构成：内热阻＋外热阻 热设计原则：使热源至最终热沉之间的总热阻最小

热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射
一、导热（热传导） 傅立叶导热定律：
Q A
T x
W
A为垂直于热流方向的截面积；λ为材料的导热系数，有时候也用k表示,单位W/(m· K)，
接触热阻 Rcs
工程中常用的减小接触热阻的主要措施：
⑴ 加大接触表面之间的压力； ⑵ 提高两个接触面的加工精度；
⑶ 接触表面之间加导热衬垫或导热脂 导热膏等；
⑷ 在结构强度许可的条件下，选用软的金属材料制作散热器或器 件的壳体。
进出风口 面积
基本概念
风道
4
设计
开孔设计 风道设计
哪里有运动 哪里就有阻力
1. 相同的开孔率和相同的尺寸，孔的形状对压损无影响 2. 相同的开孔率，孔尺寸大小对压损有影响，尺寸越大，压损越大。 Note:
a. 薄板开孔产生的是局部损失而不是摩擦损失，孔尺寸越细，则孔分布越均匀，对 风向的影响越小，局部损失也就越小。 孔尺寸与压损关系曲线 △P b. 孔尺寸孔当量直径
开孔率对压损起 决定性作用
0
4 dB
5
10
15
L dB
声源相减
LS+
N
[dB]
LN [dB]
L dB 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
L dB
UPS噪音组成
风扇 噪音 振动 噪音
气流 噪音 磁性元 件噪音
噪音测试
Noise levels:
0 20 40 60 80 100 to 20 dBA Very Faint to 40 dBA Faint to 60 dBA Moderate to 80 dBA Loud to 100 dBA Very Loud to 140 dBA Deafening
d=5 2.5 10 20 50
d
0.1
4.3.2 网孔和回流现象
均匀网孔
挡板
回流
Fan 50X20
0------------------90---------140--------200
并 无非 效开 开孔 孔越 和大 回越 流好 现， 象需 ！要 注 意
4.3.3 双层网孔
网孔
网孔
当图示模块的背部到背板的 距离L较大时，背板上的网孔 和模块背后的网孔将会对模 块内部吹出来的风形成两道 风阻，影响模块的热设计。 当L≤10时模块的后盖板和背 板才允许都开网孔的形式， 当L＞10时，背板应开较大方 孔以减小对模块的风阻。 (L值的定义主要考虑安规问 题)
●散热改善
降低 系统风阻 降低损耗
优化风道纸 改善风道
提高冷却 风流量
散热 改善
减少空气回流 与无风区
降低元件 与散热片之间 接触热阻
增加或 优化开孔
优化散热片
。。。
热设计理论基础
热源与热阻
传热的三种方式
热阻计算

热设计目标：将热量导出系统，控制元器件温度 电子设备工作过程中可能的三种热量来源 ① ② ③ 功率元件耗散的热量：电能→热能 周围环境传递给设备的热量 大气中高速运动的设备由摩擦引起的增温
进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风口则应开在机箱侧上端接近 顶板处。 在靠近发热元件的机壳顶部底部或两侧开通风孔等，均能降低内部器件 的温度。
4.4.2 强迫对流箱体
有风扇端的通风面积: Sfan=0.785(φin2－φhub2) 无风扇端的通风面积: S0=(1.1-1.5) Sfan
风道5
•
4..2.3 风道设计Ⅲ
风道纸挖孔改善局部温升
此处挖孔可 降电感温度
改变风道纸长度
局部区域调整
①
②
风道纸加长后：流过①区的风量会多，但流过②区的总风量会少。所以， 一般来说， ①区温度会稍微降低， ②区温度会略有上升。
4.2.4 风扇抽风与吹风
抽风系统 系统流场均衡稳定，适合热源分布 均匀的散热系统； 箱内负压，箱体缝隙进灰，阻碍散 热，短路设备； 风扇过热，约增加25℃，缩减风扇 工作寿命。
0.30 故障率 0.20 故障数 0.15
F / 1 0
6h
微电子器件(CMOS器件) 微电子器件(双级数字电路) 晶体管(硅50%) 可变电阻 电阻 50 100 150 200
(
0.10 0.05 0
)
温度(℃)
热设计与结构设计的关联性

互相影响
● 结构布局影响机器散热 ● 散热效果决定材料/元件的工作温度，影响结构的稳定性和可靠性