电子设备的热设计技术

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五、计算机辅助热设计
随着计算机技术的发展,计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE) 日益成熟起来。计算机辅助工程在产品开发、研制和设计中显示出其无与伦比的优越性,使其成为现代化工 业企业在日趋激烈的竞争中取胜的具体表现。计算机辅助工程可以极为有效的缩短新产品的开发和研究周 期,对于提高产品的竞争力起着至关重要的作用。
热传导是指在不涉及物质转移的情况下,热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部 位,或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程,简称导热。
热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热,是指流 体与其接触的固体壁面之间的换热过程,它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度的主要因素 是对流的运动情况。
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目前液体冷却技术正沿着 2 个不同的方向发展。一是用来处理机器产生的热量使器件温度和器件温差 限制在可接受的水平上;另一个是使器件和电路处于极低的温度状态下以提高器件开关速度和降低金属布 线电阻,从而提高电子设备的性能。超低温冷却技术为液冷应用开辟了一个新的领域,是在特定的条件下提 高电子设备性能的有效手段。
常用的热设计仿真分析软件有:Fluent,Star-CD,CFX,Cosmos,CFDesign,Phoenics 等。
六、 电子设备热设计的发展方向
电子设备热设计是一项十分复杂的工作,有待解决的问题很多。电子设备的计算机辅助热设计还有待于 进一步的完善和发展,与电路板结构的设计有机的结合起来。由于电子设备微型化的趋势,电子设备热设计 需要从微尺度换热的角度来考虑进行有效的热传递。另外液体冷却和热管等技术在电子设备上的应用也是 今后电子设备热设计的发展方向。
3.3 液体冷却
液体冷却系统的设计流程:确定冷却方式→选择冷却液→传热计算→确定冷却流量和流速→选择热交 流机→计算冷却液的温差→确定二次冷却的流量→计算热交换机中换热系数、传热面积,并对交换机进行 结构设计→计算冷却系统的阻力损失→选择泵和电机。
水冷系统最好采用去离子水,以防水垢,却却液粘度要低,以利于降低传热阻力。在选择液体冷却时, 首选直接液体冷却,如果达不到要求时,可选择间接 液体冷却的方式,也就是水路与电路分离,但热可 以相互传导。
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散热器
A
B
模块
A、B点为固定螺钉
安装方式: 第一次(预紧):按规程的 1/3 力矩,顺序:先 A 后 B 第二次(正式紧固):规程的力矩,顺序:先 B 后 A
A
B
C
D
A、B、C、D点为固定螺钉
安装方式: 第一次(预紧):按规程的 1/3 力矩,顺序:ADCB 第二次(正式紧固):规程的力矩, 顺序:BCDA
application to engineering ,presents analyses and suggestions of heat- designing with many electronic equipments.
Key:Heat-designing,natural cooling,forced air cooling,liquid cooling,phase cooling
统计资料表明电子元器件温度每升高 2 度,可靠性下降 10 %;温升 50 度时的寿命只有温升 25 度时 的 1/6。电子设备的失效有 55%是温度超过规定的值引起的,随着温度的增加,电子设备的失效率呈指数 增长趋热。温度是影响设备可靠性最重要的因素。
产品的热设计是一个系统性的工程,它指导并贯穿整个产品的设计工作。电子设备热设计的基本任 务是:通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少设备内部产生的热量;减少热阻;选择合理的冷却 方式。
发热元器件
出口
调节阀
可溶化固体 可气化液体
固体的熔化冷却是采用一种合适的材料作为冷却手段,如塑性化合物,当他从发热部件吸收大量的热量 时就熔化。材料熔化时温度并没有升高,所吸收的热量转化为材料的熔化热,起到冷却发热电子部件的作 用。这种冷却方法的优点是原理简单,并且不耗费能源。因为熔化过程是可逆的,若发热器件的温度降下来, 则已融化的物质可以再凝固。缺点是冷却能力限制在吸热材料的热容量以内。这种冷却方法特别适用于处 于脉冲工作状态下的电子器件设备。选择相变材料时应注意材料的熔化点,其数值应等于或接近于发热部 件的正常工作温度。
4.2 对电子模块、散热器、PCB 板级别的热设计,即封装级(PACKAGES)热设计: 电子设备在工作期间所消耗的电能,除了有用功外,大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量,
使内部温度迅速上升,如果不及时将该热量散发,设备会继续升温,器件就会因过热失效,电子设备的可 靠性将下降。基本要点如下: 1)电子模块应降额使用; 2)被散热器件与散热器之间要填充导热膏,以减小接触的热阻。为保证接触面平整,散热器表面粗糙度 Ra 不应大于 6.3um。散热器最好是通过挤压成型的型材,这样也可以大大减小热阻。 ※ 常见 IGBT 模块安装方法如下图:
※ 导热膏布置
散热器 模块
2点安装型模块 安装螺钉
4点安装型模块 导热膏
3)印制板导线由于通过电流后温升过高,应能选择厚一点的铜箔,也可以适当增大铜箔表面积,另外多 层板结构也有利于 PCB 的散热。对于些双面装有器件的区域,为改善散热,可以在焊膏中掺入少量的细小 铜料,以增加焊点高度,使器件与印制板间隙加大,增加了对流散热的效果。尽可能多安放金属化过孔, 且孔径、盘面大一些,依靠过孔帮助散热。不要把大功耗的器件集中放置,如果无法避免,则要将矮的元
实际传热过程一般都不是单一的传热方式,大部分辐射、对流和传导的综合,而不同的传热方式则遵 循不同的传热规律。为了分析方便,人们在传热研究中把三种传热方式分解开来,然后再加以综合。
3.2 强迫风冷
强迫风冷关键是要建立有效的气流通道,将热量按设计好的路径从各单元传送到设备外部。系统的 进气口和出风口不可太近,以免出现气流短路现象。
3.4 相变冷却
相变过程伴随有大量热量的释放和吸收,采用相变冷却的方法可以对电子设备进行有效的温度控制。利 用相变材料的相变过程作为热控制的基本形式有 2 种:液体的气化和固体的熔化。
液体的气化冷却是一种很有效的冷却方式,主要应用于高能量密度的部件或者处于常温蒸浴状态的电子 器件。工作原理如下图所示。
循的选择顺序是:自然冷却→强迫风冷→液体冷却→相变冷却。
3.1 自然冷却
自然冷却是指不使用外部辅助能量的情况下,通过传导、对流和辐射的方式将热量带走。因此在设计 中,我们需要考虑的就是如何减小大功耗器件和外壳之间的热阻,让热量快速传到外部。在壳体上开通风 孔利用空气对流作用是很有效的方法,通风孔要尽量对准发热件,进出口要开在温差最大的两处,并且进 风口尽量低,出风口尽量高。这样会大幅增加散热的效率。
二、热设计的基本流程
1)首先明确设计条件,如设备的功耗、发热量、容许温升、设备放置的环境条件等; 2)决定设备的冷却方式,并检查是否满足原始条件; 3)分别对元件、线路、印制电路板和机箱进行热设计; 4)按热设计检查表进行检查,确定是否满足设计要求。
对于热设计工程师来说,首先应该了解该产品的使用环境、使用要求、基本结构及总功耗等,然后根 据这些信息,确定该产品采用何种冷却方式。 三、电子设备常用冷却方式
电子设备的热设计技术
摘 要:本文主要介绍了电子设备热设计的一些方法,深入分析并提出电子设备热设计的一些建议。 关键词:热设计;自然冷却,强迫风冷、液体冷却、相变冷却
Heat-designing of Electronic Equipments
Abstract: This article introduces the heat-designing methods of the electronic equipments with
一、热设计的原则和目的
1.1 电子设备热设计的原则: 热设计必须与电气设计与机械设计同步进行,相互兼顾。系统分析、计算与模拟实验相结合,设计的热
控制系统,应符合关规范、标准、指导性文件。 1.2 电子设备热设计的目的 要为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境,保证它们在规定的热环境下,能按预定的方案 正常、可靠的工作。防止电子元器件失效是热控制的主要目的。
电子设备冷却方法的选择要考虑的因素是:电子元器件(设备)的热耗散密度(即热耗散量与设备组 装外壳体积之比)、元器件工作状态、电子设备的允许热量、设备的组装方式、设备用途、使用环境条件(如 海拔高度、气温等)以及经济性等。通常主要考虑电子设备的热耗散密度。
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电子设备的冷却方式主要分为 3 类形式:自然冷却散热和强迫风冷、液体冷却。根据具体情况,选择适
热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在 0.1~100 微米之间的电磁辐射,因 此与其他传热方式不同,热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨 大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力,也能吸收周围环境对它的辐射热。 辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。
很多电子设备的冷却采用强制对流风冷却形式,这是因为空气强制对流冷却的换热量比自然对流和辐 射的要大到 10 倍。 空气强迫对流冷却技术较自然冷却减小了电子设备冷却系统的体积,使其具有更高的元 器件密度和更高的热点温度。
强迫风冷系统中风源的产生有 2 种方法: ①在电子设备内部采用风ห้องสมุดไป่ตู้,以加大空气流量,利于电子器件 的快速散热; ②机体本身开设了多个通风孔,外部气源经通风孔鼓风,从而达到冷却的效果。
四、热设计层次划分及要点
电子设备冷却方法的选择要考虑的因素是:电子元器件(设备)的热耗散密度(即热耗散量与设备组装外 壳体积之比)、元器件工作状态、设备的复杂积蓄、设备用途、使用环境条件(如海拔高度、气温等)以及经 济性等。通常主要考虑电子设备的热耗散密度。 4.1 对元器件级别的热设计,即组件级(COMPONENTS)热设计:主要是减小元器件的发热量,合理地散 发元器件的热量,避免热量蓄积和过热,降低元器件的温升。
当的冷却方式是热设计的重要方面。
冷却方式---热耗散密度 对比表
冷却方式
热耗散密度
自然冷却
<0.122W/cm3
强迫风冷 (必要时加散热片)
<0.6~0.7W/cm3
液体冷却
>0.6~0.7W/cm3
相变冷却
>1.22W/cm3
大多数方案都是根据具体情况确定的,可能是一种,也可能是几种冷却方式相互配合使用。一般所遵
在电子设备设计中,热设计的好坏直接决定了产品的成功与否,良好的热设计是保证设备运行稳定性 和可靠性的基础。通过综合分析热设计的各种要素,对热设计方案进行优化和分析,会大大加快热设计的 速度并提高设计质量。
参考文献 [1] 夏学军 [2] 齐永强,何雅玲 [3] 张旭 [4] 王健石
引言
随着电子技术的发展,电子设备和系统的热设计与控制已成为电子行业的的热点之一,随着国内外 各相关标准的强制性执行和市场的国际化进程,热设计与控制将是硬件工程师必须掌握的基本技术之一。 掌握热设计技术和电子设备热问题的解决方法,对于提高电子设备的热可靠性具有重要的实用价值。
现代电子设备正日益成为高度集成系统,电子元器件的寿命与其工作温度具有直接的关系,热设计 处理不当是导致现代电子设备失效的重要原因。电子设备工作过程中,.对系统进行合理的热设计,必将大大 提高电子设备或系统的可靠性.
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器件放在气流的上游,这样可以保证冷却风量经过热耗集中区。
4.3 对电子设备机箱、机框及方腔等系统级别的热设计,即系统级(SYSTEMS)级热设计: 主要任务是在保证设备承受外部各种环境、机械应力的前提下,充分保证对流换热、传导、辐射,最
大限度地的把设备产生的热散发出去。 1)发热元件与机壳之间的距离应大于 35mm,对于发热量大的元器件要靠近通风口安装。 2) 对于防护等级要求不高的设备,在机箱上应尽量多开一些散热通风孔,条件允许,也可以通过机壳或底 板进行散热; 3)大型机柜在强迫风冷时,要增加机柜并柜时的密封性,以免影响散热效果。为避免气流回流,进风口 面积应大于各分支风道截面积之和。
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