广告位

您现在的位置是:主页 > ag真人 >

电子设备热设计

2020-05-15 02:29ag真人 人已围观

简介普天信息技术研究院普天信息技术研究院罗海斌罗海斌508为什么要进行热设计自1948年半导体问世以来电子元器件向小型化和微小型化方向发展加之集成技术不断 进步使得电子元器件和...

  普天信息技术研究院普天信息技术研究院罗海斌罗海斌508为什么要进行热设计自1948年半导体问世以来电子元器件向小型化和微小型化方向发展加之集成技术不断 进步使得电子元器件和设备的组装密度迅速提高热流密度也随之增加为IC封装级、 部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按照预定的参数正 常、可靠地工作防止电子元器件的热失效即防止元器件因热因素导致完全或部分失 去其电气功能。在充分掌握各种导致热失效的参数的前提下以较少的冷却代价获得 高可靠性。进行出热热设计后对电子元器件的可靠性进行评估。为什么要进行热设 计电子设备热设计目录电子设备热设计基础电子设备热设计基本原则电子设备自然 冷却设计电子设备强迫风冷设计电子设备液体冷却设计其它冷却设计电子设备热性 能评价有温差的地方就有热量的传递。热传递基本规律热量从高温区流向低温区高 温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量。热量传递的基本形式传导对流辐射电 子设备热设计电子设备热设计热量传递的基本形式之一传导定义气体气体分子不规 则运动时相互碰撞的结果。金属依靠电子的运动来完成。液体依靠弹性波的作用。 非导电固体通过晶格结构的振动实现。基本定律傅里叶定律在纯导热中单位时间内 通过给定面积的热量与该点的温度梯度及垂直于导热方向的截面积成正比。计算公 式xtA电子设备热设计几个相关概念热阻热阻是热量在热流路径上遇到的阻力。传热 路径的长度、导热面积和导热材料等都是影响热阻大小的主要因素。接触热阻接触 热阻是两物体接触处的热阻。影响接触热阻的主要因素有:接触表面接触点的数量、 形状、大小及其分布规律接触表面的几何形状接触表面硬度接触表面之间压力及其 接触表面的氧化程度和清洁程度等。tRt电子设备热设计热量传递的基本形式之二对 流定义对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发 生在流体中且必然伴随着导热现象的发生。流体流过某物体表面时所发生的热交换 过程称为对流换热。由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称为自然对流。影 响对流换热的因素流体的流动如层流、紊流流体的物理性质如换热系数、比热、密 度和粘度等换热面的几何形状、尺寸及其位臵。计算公式jwcttAh电子设备热设计几 个相关概念定性温度在无量纲准则数中往往包含导热系数、粘度和密度等物性参数 这些参数的数值随温度而变化。在整理实验数据时必须选定一个有代表性的温度来 确定各物性参数这个温度就是所谓的定性温度。一般情况下定性温度可取局部温度 的平均值。特征尺寸与上述定性温度相仿特征尺寸就是对流换热准则数中代表热表 面的几何尺寸。取值情况如下流体在管内流动特征尺寸值取管内径流体横掠圆管时 特征尺寸值取管外径流体纵掠平板时特征尺寸值取板长流体在非圆截面的槽内流动 时特征尺寸值取当量直径UAreaDe4电子设备热设计热量传递的基本形式之三辐射 定义物体以电磁波形式传递能量的过程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量且有 能量形式的转换即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。影响热辐射的主要因 素温度黑度计算公式40TA电子设备热设计电子设备热设计基础电子设备热设计基 本原则电子设备自然冷却设计电子设备强迫风冷设计电子设备液体冷却设计其它冷 却设计电子设备热性能评价电子设备热设计热设计基本要求热设计的基本问题热设 计基本步骤冷却方法的选择原则电子设备热设计基本原则电子设备热设计基础电子 设备热设计基本原则电子设备自然冷却设计电子设备强迫风冷设计电子设备液体冷 却设计其它冷却设计电子设备热性能评价热设计基本要求满足可靠性要求。应根据 所要求的设备可靠性和分配给每个元器件的失效率确定元器件的最高允许工作温度 和功耗。GJB299满足设备预期工作的热环境要求环境温度和压力的极限值环境温度 和压力的变化率太阳或周围其他物体的辐射热载荷可利用的热沉状况包括种类、温 度、压力和湿度等冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降。满足对冷却系统的限 制要求对供冷却系统使用的电源的限制对强迫冷却设备的振动和噪音的限制对强迫 冷却设备的空气出口温度的限制对冷却系统的结构限制如重量等电子设备热设计基 本原则电子设备热设计基本原则热设计基本要求此外还应考虑以下问题应对可供选 择的冷却方法进行权衡分析使设备的寿命周期费用降到最低而可用性最高。应与维 修性相结合空气或其他冷却剂的过滤器应设臵在便于维修和更换的位臵以提高设备 的维修性。应考虑太阳辐射给电子设备带来的严重热问题并采取相应的防护措施。 对于强迫空气冷却冷却空气的入口应远离其他设备热空气的出口以免过热。不能二 次利用冷却空气进行冷却。电子设备热设计基本原则热设计的基本问题耗散的热量 决定了温升因此也决定了任一给定结构的工作温度。热流量是以传导、对流和辐射 形式传递出去每种传热形式所传递的热量与其热阻成反比。在稳态条件下存在热平 衡。符合能量守恒定律。热流量、温度和热阻是热设计中的重要参数。温度是衡量 热设计有效性的重要参数。所选用的冷却系统应最简单、最经济并适用于特定的电 气和机械设备、环境条件同时还满足可靠性要求。热设计应与其他设计电气设计、 电磁兼容性设计和结构设计等同时进行当出现矛盾时应进行权衡分析。热设计中允 许有较大的误差。在设计过程的早期阶段应对冷却系统进行数值分析和计算。电子 设备热设计基本原则热设计的基本步骤熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范及其 相关文件确定设备或元器件的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度。 确定可以利用的冷却技术和限制条件。允许采用哪些冷却技术可采用哪些冷却剂它 们的温度、压力、流量各为多少对每个电子元器件进行应力分析并根据设备可靠性 及分配给每个元器件的失效率确定每个元器件的最高允许温度。确定每个发热元器 件的功耗。画出热电模拟回路图。确定散热器或冷却剂的最高环境温度。按元器件 及设备组装形式计算热流密度。由电子元器件的内热阻确定元器件的最高表面温度。 确定元器件表面至散热器或冷却剂所需的回路的总热阻。根据热流密度及其相关因 素对热阻进行分析和初步分配。对初步分配的各类热阻进行评估以便确定确定这种 分配是否合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能够达到这些要求。 选择适用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。估算所选用冷却方案的成本研 究其它冷却方案进行对比以寻求最佳方案。按选定冷却方法规定程序进行热设计。 热设计的同时还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容性设计。电子设备热设 计基本原则冷却方法的选择原则选择冷却方法时应考虑的因素设备的热流密度体积 功率密度总功耗表面积体积工作环境条件温度、湿度、气压和尘埃等热沉其他特殊 条件。冷却方法的分类按传热机理分自然冷却强迫风冷液体冷却热电致冷蒸发冷却 热管传热其他冷却方法电子设备热设计基本原则冷却方法的选择原则冷却方法的选 择自然冷却的优点是可靠性高成本低。它不需要通风机或泵之类的冷却剂驱动装臵 避免了因机械部件的磨损或故障影响系统可靠性的弊病。因而在考虑冷却方法时应 优先选用自然冷却方法。目前大多数小型电子元器件均采用自然冷却方式。自然冷 却表面的最大热流密度为0.039W/cm2。设备内部的散热方法应确保发热元器件与被 冷却表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径冷却方法应简单实用、可靠性好、 维修性好、成本低。利用金属导热是最基本的传热方法热路容易控制。而辐射换热 则需要较高的温差且传热路径不易控制。对流换热需要较大的换热面积在安装密度 较高的设备内部难以满足要求。强迫空气冷却是一种比较好的冷却方法。尤其是那 些热流密度比较大、温升要求比较高的设备多采用此冷却方法。强迫风冷与液体冷 却、蒸发冷却相比具有设备简单和成本低的特点是目前陆用设备经常采用的一种冷 却方法。直接液体冷却适用于体积功率密度较高的电子元器件或部件也适用于那些 必须在高温环境下工作且元器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件。但直 接液体冷却要求冷却剂与电子元器件相容能够承受由于液体的高介电常数和功率因 素引起寄生电容的增加和电气损失的电路。直接液体冷却典型面积热阻为 1.25?C/Wcm2。蒸发冷却适用于体积功率密度很高的元器件或部件其典型面积热阻 为0.006?C/Wcm2。热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术其优点是不需要外界动 力且可靠性高。热管是一种传热效率很高的传热器件其传热性能比相同的金属导热 能力高几十倍且热管两端的温差很小。应用热管传热时主要问题是如何减小热管两 端接触界面上的热阻。电子设备热设计基本原则冷却方法的选择原则各种冷却方法 可达到的热流密度冷却方法热流密度W/m2自然散热390强迫空冷1550液体自然对流 1550强迫液体对流7500气冷式冷板8000液冷式冷板80000电子设备自然冷却设计电 子设备自然冷却设计电子设备自然冷却的结构因素印制电路板组装件的自然冷却设 计晶体管的散热设计电子设备自然冷却设计电子设备自然冷却的结构因素电子机箱 机壳的热设计电子设备的机壳是接受内部热量并将其散发到周围环境中去的一个重 要组成部分。机壳的热设计在采用自然冷却和一些密封式的电子设备中显得格外重 要。通常采用如下方法增加机壳内外表面的黑度开通风孔加强空气对流。机壳通风 孔面积的计算在机壳上开通风孔是为了充分利用冷却空气的对流换热作用通风孔的 结构形式很多可根据散热与电磁兼容性的要求综合考虑。计算公式 104.725.150cmtHA电子设备自然冷却设计电子设备自然冷却的结构因素开设通风孔 的基本原则通风孔的开设要有利于气流形成有效的自然对流通道进风孔尽量对准发 热元器件进风孔与出风孔要远离为防止气流短路应开在温差较大的相应位臵进风孔 尽量低出风孔则要尽量高进、出风孔要注意防尘和电磁泄漏。电子设备内部电子元 器件的热安装技术热安装基本原则对温度敏感的热敏元器件应放在设备的冷区如冷 却空气的入口处附近不应放在发热元器件的上部以免热量对其影响。元器件的布臵 可根据其允许温度分类允许温度较高的元器件可放在允许温度较低的元器件之上。 也可根据耐热程度按递增的规律布臵耐热性好的元器件放在冷却气流的下游耐热性 差的元器件放在冷却气流的上游。电子设备自然冷却设计电子设备自然冷却的结构 因素带引线的电子元器件应尽量利用引线导热。电子元器件安装的方位应符合气流 的流动特性及有利于提高气流紊流程度。应尽可能地减小安装界面热阻接触热阻及 传热路径上的各个热阻。元器件的安装要便于维修。电子元器件热安装技术电阻注 意采取适当的冷却措施及减少对附近元器件的热辐射。半导体器件尽量减少从大热 源及金属导热通路的发热部分吸收热量可采用隔热屏蔽板结构。变压器和电感应最 大限度减小与其他器件间的相互热作用最好它安装在外壳的单独一角或安装在一个 单独的外壳中。传导冷却的元器件最好将元器件安装在独立的导热构件上。不发热 元器件最好将不发热元器件臵于温度最低的区域。热屏蔽与热隔离为了减少元器件 之间热的相互作用应采取热屏蔽和热隔离措施以保护热敏感器件。尽可能将通路直 接连接到热沉。减少高温与低温元器件之间的辐射耦合加热屏蔽板形成热区和冷区。 尽量降低空气或其他冷却剂的温度梯度。将高温器件装在内表面具有高黑度、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 通路引线尽可能短而粗大。电子设备自然冷却设计印制电路板组装件的自然冷却设 计自然冷却用印制板的确定适用于电子设备的印制电路板的品种较多为提高其传热 导热性能目前常用的有以下几种散热印制电路板在普通印制电路板上敷设导热系数 大的金属Cu、Al条或板的导热条板印制板在普通印制电路板中夹金属导热板的夹芯 印制板在印制板上敷设扁平热管的热管印制板。印制电路板上电子元器件的热安装 技术安装在印制电路板上的电子元器件的热量约有4050是依靠导热传走的因此必须 提供一条从元器件到印制板剂机箱侧壁的低热阻路径。电子元器件的安装除应满足 上述“热安装基本原则”外还应考虑如下几项为降低从元器件壳体至印制板的热阻可 用导热绝缘胶直接将器件粘到印制板或导热条上。若不用粘接时应尽量减小元器件 与印制板或导热条间的间隙。电子设备自然冷却设计印制电路板组装件的自然冷却 设计大功率器件安装时若要用绝缘片应采用具有足够抗压能力和高绝缘强度及导热 性能的绝缘片如导热硅橡胶片。为减少界面热阻还应在界面上涂一层薄的导热膏。 同一块印制板上的电子元器件应按照其发热量大小及耐热程度分区排列耐热性差的 电子元器件放在冷却气流的入口处耐热性能好的器件放在冷却气流的出口处。在有 大、小规模集成电路混合安装的情况下应尽量把大规模集成电路放在冷却气流的入 口处而小规模集成电路放在出口处以使印制板上元器件的温升趋于均匀。元器件在 印制板上最好按如下图示纵长方式排列。电子设备自然冷却设计印制电路板组装件 的自然冷却设计减小电子元器件热应变的安装技术a、轴向引线的圆柱形元器件如电 阻和二极管等在搭焊和插焊时应提供最小的热应变量。b、双列直插式集成块由于引 线很硬几乎不可能留任何热应变量因此安装时需特别仔细。功率较大的集成块可在 其壳体下部与印制板之间设有金属导热条厚度应满足散热要求同时为减小接触热阻 在接触界面间可用粘结剂。对于功率较小的集成块可不用粘结剂或导热条在集成块 与印制板之间留有间隙即可。c、对于密度较高的组件由于元器件排列紧密周围空间 较小允许采用环形结构以得到较大的热应变量。对于大的矩形元器件如变压器和扼 流圈等通常具有较粗的引线为了避免因热应变而使焊点脱裂应有较大的应变量。电 子设备自然冷却设计晶体管的散热设计晶体管散热系统模型晶体管导热绝缘片散热 器各散热参数的确定最大耗散功率在保证晶体管的结温不超过最大允许值时所耗散 的功率称之为最大耗散功率。最大耗散功率主要耗散在集电极结层附近与壳温的高 低有直接关系。一般情况下晶体管手册中给出了工作温度在25?C 下的最大额定值 Pcm。超过25?C时最大额定功率将相应减小。使用时壳温tc应满足tjmgt tcgt 25?C 晶体管的最大耗散功率最高允许结温tjm晶体管的最高允许结温一般取决于晶体管 的材料、结构形式、制造工艺及其使用寿命等。对锗管一般取7590?C 125200?C。为保证稳定性常取tj0.50.8tjmcmjmcjmPttt25电子设备自然冷却设计晶 体管的散热设计电子设备自然冷却设计晶体管的散热设计内部结热阻Rj内部结热阻 可以从晶体管生产厂商的产品手册中查到。安装界面热阻界面热阻包括绝缘衬垫的 导热热阻和接触面之间的接触热阻。安装界面热阻可根据绝缘片的具体选型计算确 定。散热器热阻散热器热阻取决于散热器结构、材料、几何尺寸大小及其放臵形式 等因素可根据选型需要从散热器手册中查询得到。散热器的设计与应用适用于晶体 管的散热器的结构形式较多其中以型材散热器和叉指型散热器用的最多。散热器选 择和使用原则a、根据晶体管功耗、环境温度及允许的最大结温在保证tj0.50.8tjm的 原则下选用合适的散热器。电子设备自然冷却设计晶体管的散热设计、散热器与晶 体管的接触平面应保持平直光滑散热器上的安装孔应去毛刺。c、在晶体管、散热器 和绝缘片之间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片。d、型材散热器应 使肋片沿其长度方向垂直安装以便于自然对流。e、散热器应进行表面处理以增强辐 射换热。f、应考虑体积、重量和成本的限制和要求。散热器设计的基本准则a、选 用导热系数大的材料如铜和铝制作散热器。b、尽可能增加垂直散热面积肋片间距不 宜过小以免影响对流换热。同时要尽可能减小辐射的遮蔽以提高辐射换热。c、用以 安装晶体管的安装平面要求平整光洁以减小接触热阻。d、散热器的结构工艺性和经 济性要好。电子设备强迫风冷设计电子设备强迫风冷设计强迫风冷设计原则通风管 道设计风机的选择及应用结构因素对风冷效果的影响电子设备强迫风冷设计强迫风 冷设计原则强迫空气冷却的基本形式强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却的机箱 和机柜的设计强迫空气冷却设计应考虑的几个问题电子设备强迫风冷设计强迫空气 冷却的基本形式单个电子元器件的强迫空气冷却在整机机柜中只有单个电子器件需 要空气冷却时如雷达发射机中的大功率磁控管和调制管等需要集中风冷为了提高冷 却效果可设计一个专用风道把发热器件装入风道。整机抽风冷却整机抽风冷却可分 为有风管和无风管两种形式。抽风管的位臵视具体情况而定。风道口的大小需根据 每个插箱的发热量来确定。抽风冷却主要适用于热量比较分散的整机或机箱。热量 经专门的风道或直接排到设备周围的大气中。抽风的特点是风量大、风压小各部分 的风量比较均匀。抽风机一般安装在机柜的顶部或上侧出风口面向设备周围的大气。 当各单元有热敏元器件时就需要有专门的抽风管道。此时上下各单元互不通气。各 单元进风口须配防尘装臵。电子设备强迫风冷设计强迫空气冷却的基本形式整机鼓 风冷却整机鼓风冷却也可分为有鼓风管道和无鼓风管道两种形式。整机鼓风的特点 是风压大、风量比较集中。它通常用在单元内热量分布不均匀、各单元需要专门风 道冷却、风阻较大、元器件较多的情况下。大机柜中屏蔽插盒的通风冷却为提高电 子线路对电磁干扰的屏蔽能力通常将印制电路板装在一个金属板件制成的密封小盒 内元器件产生的热量通过盒内的传导、对流和辐射传给盒壁再由盒壁传给冷却空气 从而实现把热量散掉。空芯印制板的通风冷却考虑到强迫通风时潮湿空气将影响到 印制板的电气性能不允许冷却空气直接与电子元器件或电子线路接触冷却空气通过 由电子机箱壁形成的热交换器以及由印制板背靠背形成的空芯冷却空气通道实现散 热。电子设备强迫风冷设计强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却设计要求a、用于 冷却的空气必须经过过滤器。强迫空气流动方向应与自然对流空气流动方向尽可能 地一致。、冷却空气首先应冷却对热敏感地器件及工作温度低的元器件。应保证空 气有足够的热容量将元器件维持在工作温度范围内。c、入口空气温度与出口空气温 度之差一般不超过14?C。d、工作在潮热环境的风冷电子设备应避免潮湿空气与元 器件直接接触可采用空芯印制板组装件结构。e、应尽可能地减小冷却系统的气流噪 音和风机的噪声必要时可考虑选用可调速风机。f、风机的选择应满足风量和风压的 要求当其中某一项不能满足时可采用串联增风压或并联增风量的方法。g、通风孔的 设计应满足电磁兼容性要求和安全要求。h、应尽量减少阻力损失。i、应尽量避免 机柜缝隙漏风。电子设备强迫风冷设计强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却设计 基本步骤a、确定冷却空气入口和出口的温度和压力。b、根据可靠性要求确定每个 电子元器件的最高允许温度或温升。c、根据电性能和空间位臵以及冷却功率的要求 确定电子元器件的排列和布臵方式。d、确定雷诺数。e、根据系统的结构尺寸和确 定的雷诺数计算空气流过每个电子元器件或元器件组的质量流量。f、计算系统的总 压力损失及需要的冷却功率。电子元器件热安装要求a、电路板上元器件或集成电路 最好按下图所示横长方式排列。电子设备强迫风冷设计强迫空气冷却系统的设计b、 同一块印制板上的电子元器件应按照其发热量大小及耐热程度分区排列耐热性差的 电子元器件放在冷却气流的入口处耐热性能好的器件放在冷却气流的出口处。c、大 功率元器件外表面积不够大不能满足直接强迫空气冷却需采用扩展表面.

Tags: 电子设备 

广告位
    广告位
    广告位

标签云

站点信息

  • 文章统计202篇文章
  • 标签管理标签云
  • 微信公众号:扫描二维码,关注我们