海拔对电子元件影响

海拔对电子元件器件影响

高海拔环境的两个主要特点及影响

•高海拔空气稀薄、气压低：

气压低——>电气间隙（Clearance）的击穿电压低

空气稀薄——>风流量减小，散热量降低

•海拔高度增加，宇宙射线粒子增加

宇宙射线粒子——>破坏器件的电荷区电场，造成器件失效

海拔超过2000米时，元气件的绝缘性能将下降，需要使用大爬距的加强型绝缘件。

另外还把过高时还需考虑元器件的降容系数，具体到每个元件，厂家会有说明降容系数的。

空气稀薄散热差元件降容系数大，易击穿，因此电气间隙要大。

电气元件和成套标注的2000米是针对试验条件的，不代表不能在2000米以上应用。

海拔高度对温升的影响

很多公司在电子设备产品的设计时，都要求设备能在高海拔下稳定工作。通常“高海拔”指的是海拔

1500m(约5000英尺)或3000m(10000英尺)的高度。对于设计和质量控制来说，预测产品在高海拔下运行时的温升是非常重要的。有许多方法可以用于修正海拔高度对于温升的影响，而其中的许多方法都为了简化计算过程而牺牲了精度。尽管许多公司确实使用了有依据的修正方式，然而其他很多公司不必要使用这样的复杂公式。

如今电子设备的结构很复杂。电路板上安装着不同的电子元件，这些电子元件使得流经电路板的空气有着复杂的流场，如回流，死区和其他热源引起的热尾流。如果不考虑这些造成分析的困难，所有表面温度的计算和海平面的测量数据都可以使用本文中的推荐方法外推到任何海拔高度（超过海拔6000米就不好这样修正了，当然，提供的数据也截止到6000m，即20000英尺）

高度修正

以海平面为条件测量或者计算得到的空气冷却的表面温度能够使用系数进行修正得到高海拔条件下的结果。这种方式适用于任何依赖空气对流散热的表面，如壳温，电路板的温度和散热片的温度，甚至在不知道准确的耗散功率的情况下也能使用这种方法。并且在一个强迫风冷系统中的空气温升也可以使用这种方法估算。高度修正系数表达了特定的高度下对流环境的影响。这种方法首先是参考文献1所提出的。电子设备的对流环境包括：轴流/离心风扇冷却系统，有通风孔的机箱中的或是直接暴露在外以自然对流冷却的电子元件。系数表如下表1。

上表中的轴流风扇冷却系统中的常规和大功率器件的温升修正系数有所不同。常规的温升修正系数可以用于所有测量得到的表面温度，并且能够使用于元器件的外壳，电路板表面和散热器的鳍片。也可用于空气的温升。而对那些温升主要是由于自身功率支配并非是空气温度升高影响的器件来说，常规的温升修正系数有些过于保守了。推荐的大功率的修正系数主要是减小过于保守的常规系数。最后自然对流的温升修正系数主要用于修正自然对流所冷却的表面温度。

表一中的系数使用以下的方程（1）修正高度的影响。

T(z) -- T amb = [ T SL -- T SL,amb] × Multiplier(z, Configuration) (1)

其中：

T(z) - T amb表示海拔高度z下的表面温度或空气的温度减去环境温度

T SL-- T SL,amb表示海平面下的表面温度或空气的温度减去环境温度

Multiplier(z, Configuration) 是表一中的温升修正系数

这种简单的高度修正方式使用了特定的系数修正了海平面条件下的温升,并且消除了耗散功率的不确定性和对流流场不均匀的影响.一旦使用这种方式确定了高海拔下的表面温度或临界温度,就可以使用传统的热阻

网络法计算出结温或是与散热片接触区域的温度.

另一种方式是直接在表面温度上增加一个固定的温升,而不考虑对流环境或是耗散功率, 如3000米(10000英尺)的情况下,通常是直接增加5° 到7°C.而有的则以海拔高度升高进行累加,如每300米温升增加1°C.

这些方式也是非常简单的,但也许仅适合于以前的产品,他们不如公式1和表一的修正方法精确,而且会使得热管理设计和相关的决定不够优化.

海拔高度对散热的影响

随着海拔高度的增大，空气的密度逐渐降低，而对流换热能力和设备的整体热容量也不断的减少，因此。所有依赖于自然对流和强迫风冷散热的设备在高海拔的情况下需要用更多的空气流量来保持与海平面下同样的温升。因此，如果知道了空气密度的变化就可以通过对流换热方程来推导出温升的增加量。

温升修正系数的来源

表1中的温升修正系数和使用对流换热方程所推导出的结果一样准确，但是精度却远不如使用CFD模拟或是在高海拔下实际测量所得到的结果。然而在缺乏相应的仿真手段和测量资源的时候，这是一种非常简便并且有理论依据的方法。

强迫风冷系统中空气的温升取决于能量守恒关系。由于空气的比热和速度变化随着海拔高度的改变很小，而空气的温升与密度则成反比。因此，空气或者低能耗的器件的温升修正系数可以简化为空气在高海拔和海平面时的密度比的问题。

而高能耗器件的温升还由耗散功率的大小所决定。在这种情况下，对流传热系数可以通过雷诺数和普朗特数来表达。由于普朗特数是一个相关的量，，而包含着密度变化的雷诺数则反映在ca热阻的变化量上，并通过工作温度的升高表现出来。

自然对流冷却系统中的对流换热系数则通过格拉晓夫数和普朗特数表示。这种情况下，包含温度和密度变化的格拉晓夫数也反映在ca热阻的变化量上，并通过工作温度的升高表现出来。

恒定温度下空气密度的变化比率关系可以从文献2中找到。而常规的对流换热传热关系则可以从文献3中找到。

海拔高，温度一般会低……

气体流动不好，散热改进……

避免紫外线直接照射电路元件……

为什么要进行热设计? 高温对电子产品的影响:绝缘性能退化;元器件损坏;材料的热老化;低熔点焊缝开裂、焊点脱落. 温度对元器件的影响:一般而言,温度升高电阻阻值降低;高温会降低电容器的使用寿命;高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降, 一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C;温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚,焊点变脆,机械强度降低;结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加,导致集电极电流增加,又使结温进一步升高,最终导致组件失效. 热设计的目的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标准及规范所规定的最高温度.最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致. 在本次讲座中将学到那些内容风路的布局方法、产品的热设计计算方法、风扇的基本定律及噪音的评估方法、海拔高度对热设计的影响及解决对策、热仿真技术、热设计的发展趋势. 授课内容风路的设计方法20分钟产品的热设计计算方法40分钟风扇的基本定律及噪音的评估方法 20分钟海拔高度对热设计的影响及解决对策 20分钟热仿真技术、热设计的发展趋势50分钟概述风路的设计方法:通过典型应用案例,让学员掌握风路布局的原则及方法. 产品的热设计计算方法:通过实例分析,了解散热器的校核计算方法、风量的计算方法、通风口的大小的计算方法. 风扇的基本定律及噪音的评估方法:了解风扇的基本定律及应用;了解噪音的评估方法. 海拔高度对热设计的影响及解决对策:了解海拔高度对风扇性能的影响、海拔高度对散热器及元器件的影响,了解在热设计如何考虑海拔高度对热设计准确度的影响. 热仿真技术:了解热仿真的目的、要求,常用热仿真软件介绍. 热设计的发展趋势:了解最新散热技术、了解新材料. 风路设计方法自然冷却的风路设计设计要点机柜的后门(面板)不须开通风口. 底部或侧面不能漏风. 应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间. 机柜上部的监控及配电不能阻塞风道,应保证上下具有大致相等的空间. 对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽应垂直于水平面.对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口. 风路设计方法自然冷却的风路设计设计案例风路设计方法自然冷却的风路设计典型的自然冷机柜风道结构形式风路设计方法强迫冷却的风路设计设计要点如果发热分布均匀, 元器件的间距应均匀,以使风均匀流过每一个发热源. 如果发热分布不均匀,在发热量大的区域元器件应稀疏排列,而发热量小的区域元器件布局应稍密些,或加导流条,以使风能有效的流到关键发热器件. 如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件,应在模块内部采用阻流方法,使大部分的风量流入散热器. 进风口的结构设计原则:一方面尽量使其对气流的阻力最小,另一方面要考虑防尘,需综合考虑二者的影响. 风道的设计原则风道尽可能短,缩短管道长度可以降低风道阻力; 尽可能采用直的锥形风道,直管加工容易,局部阻力小; 风道的截面尺寸和出口形状,风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致,以避免因变换截面而增加阻力损失,截面形状可为园形,也可以是正方形或长方形; 风路设计方法强迫冷却的风路设计典型结构风路设计方法强迫冷却的风路设计电源系统典型的风道结构-吹风方式风路设计方法热设计的基础理论自然对流换热大空间的自然对流换热 Nu=C(Gr.Pr)n. 定性温度: tm=(tf+tw)/2 定型尺寸按及指数按下表选取热设计的基础理论自然对流换热有限空间的自然对流换热垂直封闭夹层的自然对流换热问题分为三种情况: (1) 在夹层内冷热壁的两股流道边界层能够相互结合,形成环流; (2) 夹层厚度δ与高度之比δ/h>0.3时,冷热的自然对流边界层不会相互干扰,也不会出现环流,可按大空间自然对流换热计算方法分别计算冷热的自然对流换热; (3) 冷热壁温差及厚度均较小,以厚度为定型尺寸的Gr=(Bg△t δ3)/υ3<2000时,通过夹层的热量可按纯导热过程计算. 热设计的基础理论自然对流换热有限空间的自然对流换热水平夹层的自然对流换热问题分为三种情况: (1) 热面朝上,冷热面之间无流动发生,按导热计算; (2) 热面朝下,对气体Gr.Pr<1700,按导热计算; (3) 有限空间的自然对流换热方程式: Nu=C(Gr.Pr)m(δ/h)n 定型尺寸为厚度δ,定性温度为冷热壁面的平均温度Tm=(tw1+tw2 ) 热设计的基础理论流体受迫流动换热管内受迫流动换热管内受迫流动的特征表现为:流体流速、管子入口段及温度场等因素对换热的影响. 入口段:流体从进入管口开始需经历一段距离后管两侧的边界层才能够在管中心汇合,这时管断面流速分布及流动状态才达到定型.这段距离称为入口段.入口段管内流动换热系数是不稳定的,所以计算平均对流换热系数应对入口段进行修正.在紊流时,如果管长与管内径之比L/d>50则可忽略入口效应,实际上多属于此类情况. 管内受迫层流换热准则式: Nu= 管内受迫紊流换热准则式: tw>tf Nu=0.023Re0.8