艾默生電子設備強迫風冷熱設計規(guī)范資料內(nèi)容僅供參考，如有不當或者侵權(quán)，請聯(lián)系本人改正或者刪除。電子設備的強迫風冷熱設計規(guī)范/05/01發(fā)布/05/01實施艾默生網(wǎng)絡能源有限公司

修訂信息表版本修訂人修訂時間修訂內(nèi)容新擬制李泉明1999年01月01日V2.0李泉明05月01日更改模板,增加部分新內(nèi)容,重新在結(jié)構(gòu)室規(guī)范下歸檔

目錄TOC\o"1-3"\h\z目錄 3前言 51目的 62適用范圍 63關鍵術語 64引用/參考標準或資料 85規(guī)范內(nèi)容 85.1遵循的原則 85.2產(chǎn)品熱設計要求 95.2.1產(chǎn)品的熱設計指標 95.2.2元器件的熱設計指標 95.3系統(tǒng)的熱設計 95.3.1常見系統(tǒng)的風道結(jié)構(gòu) 95.3.2系統(tǒng)通風面積的計算 165.3.3系統(tǒng)前門及防塵網(wǎng)對系統(tǒng)散熱的影響 175.4模塊級的熱設計 175.4.1模塊損耗的計算方法 175.4.2機箱的熱設計 175.4.2.1機箱的選材 175.4.2.2模塊的通風面積 175.4.2.3機箱的表面處理 185.5單板級的熱設計 185.5.1選擇功率器件時的熱設計原則 185.5.2元器件布局的熱設計原則 185.5.3元器件的安裝 195.5.4導熱介質(zhì)的選取原則 195.5.5PCB板的熱設計原則 205.5.6安裝PCB板的熱設計原則 225.5.7元器件結(jié)溫的計算 225.6散熱器的選擇與設計 255.6.1散熱器需采用的強迫冷卻方式的判別 255.6.2強迫風冷散熱器的設計要點 265.6.3風冷散熱器的輻射換熱考慮 285.6.4海拔高度對散熱器的設計要求 285.6.5散熱器散熱量計算的經(jīng)驗公式 285.6.6強化散熱器散熱效果的措施 295.7風扇的選擇與安裝的熱設計原則 295.7.1多個風扇的安裝位置 295.7.2風扇與最近障礙物間的距離要求 295.7.3消除風扇SWIRL影響的措施 305.7.4抽風條件下對風扇選型的限制 315.7.5降低風扇噪音的原則 315.7.6解決海拔高度對風扇性能影響的措施 325.7.7確定風扇型號的方法 335.7.8吹風與抽風方式的選擇原則 335.7.9延長風扇壽命與降低風扇噪音的措施 345.7.10風扇的串列與并聯(lián) 345.8防塵對產(chǎn)品散熱的影響 375.8.1抽風方式的防塵措施 375.8.2吹風方式下的防塵措施 375.8.3防塵網(wǎng)的選擇方法 376產(chǎn)品的熱測試 386.1進行產(chǎn)品熱測試的目的 386.2 熱測試的種類及所用的儀器、設備 386.2.1溫度測試 386.2.2速度測量 396.2.3流體壓力的測量 407附錄 427.1元器件的功耗計算方法 427.2散熱器的設計計算方法 447.3冷板散熱器的計算方法 457.4強迫風冷產(chǎn)品的熱設計檢查模板 48前言本規(guī)范由艾默生網(wǎng)絡能源有限公司研發(fā)部發(fā)布實施,適用于本公司的產(chǎn)品設計開發(fā)及相關活動。本規(guī)范替代以前公司的同名規(guī)范,老版本的同名規(guī)范一律廢除。本規(guī)范更換了新的模板,并根據(jù)公司產(chǎn)品開發(fā)需求的變化及已積累的設計經(jīng)驗增加了新的內(nèi)容。本規(guī)范由我司所有的產(chǎn)品開發(fā)部門遵照執(zhí)行。本規(guī)范于/05/01批準發(fā)布;本規(guī)范擬制部門:結(jié)構(gòu)設計中心;本規(guī)范擬制人:李泉明;審核人:張士杰;本規(guī)范標準化審查人:數(shù)據(jù)管理中心;本規(guī)范批準人:研發(fā)管理辦;1目的建立一個電子設備在強迫風冷條件下的熱設計規(guī)范,以保證設備內(nèi)部的各個元器件如開關管、整流管、IPM模塊、整流橋模塊、變壓器、濾波電感等的工作溫度在規(guī)定的范圍內(nèi),從而保證電子設備在設定的環(huán)境條件下穩(wěn)定、安全、可靠的運行。2適用范圍本熱設計規(guī)范適用于強迫風冷電子設備設計與開發(fā),主要應用于以下幾個方面:機殼的選材結(jié)構(gòu)設計與布局器件的選擇散熱器的設計與選用通風口的設計、風路設計熱路設計選擇風扇3關鍵術語3.1熱環(huán)境設備或元器件的表面溫度、外形及黑度,周圍流體的種類、溫度、壓力及速度,每一個元器件的傳熱通路等情況3.2熱特性設備或元器件溫升隨熱環(huán)境變化的特性,包括溫度、壓力和流量分布特征。3.3導熱系數(shù)(λw/m.k)表征材料熱傳導性能的參數(shù)指標,它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的導熱量。3.4對流換熱系數(shù)(αw/m2.k)對流換熱系數(shù)反映了兩種介質(zhì)間對流換熱過程的強弱,表明了當流體與壁面間的溫差為1℃時,在單位時間經(jīng)過單位面積的熱量。3.5熱阻(℃/w)反映介質(zhì)或介質(zhì)間傳熱能力的大小,表明了1W熱量所引起的溫升大小。3.6流阻(Pa)流阻反映了流體流過某一通道時所產(chǎn)生的壓力差。3.7雷諾數(shù)(Re)雷諾數(shù)的大小反映了流體流動時的慣性力與粘滯力的相對大小,雷諾數(shù)是說明流體流態(tài)的一個相似準則。3.8普朗特數(shù)(Pr)普朗特數(shù)是說明流體物理性質(zhì)對換熱影響的相似準則。3.9格拉曉夫數(shù)(Gr)格拉曉夫數(shù)反映了流體所受的浮升力與粘滯力的相對大小,是說明自然對流換熱強度的一個相似準則。3.10定性溫度確定對流換熱過程中流體物理性質(zhì)參數(shù)的溫度。3.11肋片的效率表示某擴展表面單位面積所能傳遞的熱量與同樣條件下光壁所能傳遞的熱量之比。3.12黑度實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比,它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。3.13努謝爾特數(shù)Nu(Nusseltl)反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱,是一個說明對流換熱強弱的相似準則。3.14傳熱單元數(shù)NTU為無因次量,其數(shù)值反映了在給定條件下所需傳熱面積的大小,是一個反映冷板散熱器綜合技術經(jīng)濟性能的指標。3.15冷板的傳熱有效度E衡量冷板散熱器在傳遞熱量方面接近于理想傳熱狀況的程度,它定義為冷板散熱器的實際傳熱量和理論傳熱量之比,為無因次量3.16防塵網(wǎng)的阻力防塵網(wǎng)對氣流形成阻力。防塵網(wǎng)積灰,阻力增加,當阻力增大到某一規(guī)定值時,過濾器報廢。新防塵網(wǎng)的阻力稱”初阻力”;對應防塵網(wǎng)報廢的阻力值稱”終阻力”。設計時,常需要一個有代表性的阻力值,以核算系統(tǒng)的設計風量,這一阻力值稱”設計阻力,慣用的方法是取初阻力與終阻力的平均值。3.17外部環(huán)境溫度的定義自冷時指距設備各主要表面80mm處的溫度平均值;強迫風冷(使用風扇)時指距離空氣入口80~200mm截面的溫度平均值。3.18機箱表面的溫度定義機箱表面溫度指在機箱各表面幾何中心處的溫度。3.19設備風道的進、出口風溫的定義冷卻空氣入口、出口溫度指在入口或出口處與風速方向垂直的截面內(nèi)各點溫度的平均值。3.20冷板散熱器指采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片工藝成型的齒間距較密,寬高比較大的散熱器。4引用/參考標準或資料下列標準包含的條文,經(jīng)過在本標準中引用而構(gòu)成本標準的條文。在標準出版時,所示版本均為有效。所有標準都會被修訂,使用本標準的各方應探討使用下列標準最新版本的可能性。GBxxxxx-89電力半導體器件用散熱器使用導則GB11456-89電力半導體器件用型材散熱器技術條件GJB/Z27-92國家軍用標準匯編,電子設備可靠性設計手冊GB/T12992-91電子設備強迫風冷熱特性測試方法GB/T12993-91電子設備熱性能評定電子設備結(jié)構(gòu)設計標準手冊TS-S0E0199001電子設備的強迫風冷熱設計規(guī)范分散式散熱產(chǎn)品的熱設計規(guī)范5規(guī)范內(nèi)容5.1遵循的原則5.1.1進行產(chǎn)品的熱設計應與電氣設計、結(jié)構(gòu)設計同時進行,平衡熱設計、結(jié)構(gòu)設計、電氣設計各種需求。5.1.2熱設計應遵循相應的國際、國內(nèi)標準、行業(yè)標準、公司標準。5.1.3熱設計應滿足產(chǎn)品的可靠性要求,以保證設備內(nèi)的元器件均能在設定的熱環(huán)境中正常工作,并保證達到設定的MTBF指標。5.1.4各個元器件的參數(shù)選擇、安裝位置與方式必須符合散熱要求。5.1.4.1元器件的發(fā)熱表面與散熱表面之間的接觸熱阻應盡可能小。5.1.4.2根據(jù)元器件的損耗大小及溫升要求確定是否加裝散熱器。5.1.4.3在規(guī)定的使用期限內(nèi),冷卻系統(tǒng)(如風扇等)的故障率應比元件的故障率低。5.1.5模塊的控制回路中盡可能加裝溫度繼電器、壓力繼電器等熱保護回路以及風速調(diào)節(jié)回路,以提高系統(tǒng)的可靠性。5.1.6在進行熱設計時,應考慮相應的設計冗余,以避免在使用過程中因工況發(fā)生變化而引起的熱耗散及流動阻力的增加。5.1.7熱設計應考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性指標,在保證散熱的前提下使其結(jié)構(gòu)簡單、可靠且體積最小、成本最低。5.1.8冷卻系統(tǒng)要便于測試與維護。5.1.9采用強迫風冷的條件:在常壓下,強迫風冷的應用范圍為0.04-0.31w/cm2,小于0.04w/cm2采用自然冷卻,大于0.31w/cm2須采用水冷或其它表面冷卻。5.2產(chǎn)品熱設計要求5.2.1產(chǎn)品的熱設計指標5.2.1.1散熱器的表面溫度最高處的溫升應小于45℃.5.2.1.2模塊內(nèi)部空氣的平均溫升應小于20℃。5.2.2元器件的熱設計指標元器件的熱設計指標應符合TS-S0A0204001《器件應力降額規(guī)范》,具體指標如下:5.2.2.1功率器件的工作結(jié)溫應小于最大結(jié)溫的(0.5-0.8)倍對額定結(jié)溫為175℃的功率器件,工作結(jié)溫小于140℃.對額定結(jié)溫為150℃的功率器件,工作結(jié)溫小于120℃.對額定結(jié)溫為125℃的功率器件,工作結(jié)溫小于100℃.5.2.2.2碳膜電阻120℃金屬膜電阻100℃壓制線繞電阻150℃涂剝線繞電阻225℃5.2.2.3變壓器、扼流圈表面溫度A級90℃B級110℃F級150℃H級180℃5.2.2.4電容器的表面溫度紙質(zhì)電容器75-85℃電解電容器65-80℃薄膜電容器75-85℃云母電容器75-85℃陶瓷電容器75-85℃5.3系統(tǒng)的熱設計5.3.1常見系統(tǒng)的風道結(jié)構(gòu)5.3.1.1系統(tǒng)風道設計的一些基本原則:盡量采用直通風道,避免氣流的轉(zhuǎn)彎。在氣流急劇轉(zhuǎn)彎的地方,應采用導風板使氣流逐漸轉(zhuǎn)向,使壓力損失達到最小。盡量避免驟然擴展和驟然收縮。進、出風口盡量遠離,防止氣流短路。在機柜的面板、側(cè)板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔,防止氣流短路。圖1系統(tǒng)布局要點示意圖為避免上游的熱量回流到下游,影響其散熱,能夠采用獨立風道,分開散熱。風道設計應保證系統(tǒng)各個區(qū)域散熱均勻,避免在回流區(qū)和低速區(qū)產(chǎn)生熱點。并聯(lián)風道應根據(jù)各風道散熱量的要求分配風量,避免風道阻力不合理布局。要避免風道的高低壓區(qū)的短路。最大損耗的元器件應靠近出風口。保證進、出風口面積大于風扇的通風面積。保證空氣流通并能夠以較大的風速流過較熱的區(qū)域。避免在兩個熱點之間用一個小風扇來冷卻。溫度敏感的元器件應盡量靠近風扇入口。盡可能采用吹風以防止灰塵聚積。盡可能采用空隙率較大的防塵網(wǎng)以減小阻力。高熱器件的位置要求如果不能消除SWIRL的影響,即無法保證流出風扇框的流場是近似均勻的流場,則必須避免布置高熱器件在流場的旋渦區(qū)域,因為該區(qū)域風速最小。5.3.1.2一些典型的風道結(jié)構(gòu)風道1風道2最簡單的鼓風風道,由機柜底部進風,可由機柜頂部出風。如果要求防滴落,可在頂部加蓋板,側(cè)出風,或頂部安裝金屬絲網(wǎng)?？拷L扇的區(qū)域換熱效果最佳,由于風道必然存在漏風,而且離風扇較遠處流場分布已較均勻,因此上區(qū)域的風速相對較低,換熱比較弱,而且下面區(qū)域的熱量將帶入上插框。由于機柜內(nèi)為正壓,灰塵不會從縫隙進入機柜。最簡單的抽風風道,由機柜底部進風。流場分布均勻,各區(qū)域換熱強度相差不大。但如果風道中有較大的縫隙,,則會形成氣流部分短路,下面區(qū)域的通風量將大大降低。下面區(qū)域的熱量依然被帶入上面的區(qū)域。機柜內(nèi)為負壓,灰塵將經(jīng)過縫隙進入機柜。風道3風道4風扇框串聯(lián)風道,適用于機柜風阻較大的情況?？拷L扇出風口的部分換熱最強烈,但要注意風扇的HUB附近將形成回流死區(qū)。中間插框由于上下風扇串聯(lián),氣流不能充分擴散,靠近拉手條和母板的部分風速會比較低,宜將發(fā)熱元器件與熱敏元器件布于單板的中間。如果單板較深,根據(jù)需要在深度方向上可采用兩排風扇。風扇也可分別置于機柜的頂部和底部,但噪音將比置于插框間大。插框獨立抽風散熱風道,適用于各框散熱量都比較大的情況,各插框散熱互不干擾。機柜由開孔前門進風,頂插框能夠上出風,下面的插框后出風。采用軸流風扇時,出風直接受阻擋,風阻較大。如果機柜不宜做得較深,必須在后門開孔,而且機柜離墻有足夠的距離;如果機柜能夠做得較深,能夠在后門與母板間流出足夠?qū)挾鹊目臻g作為風道,將風從機柜頂部排出,由于風道多次垂直轉(zhuǎn)彎,將形成較大的風阻,宜在后風道安裝導風裝置或采用離心風扇。注意,由于進風為水平方向,單板的右上區(qū)(拉手條端)將形成回流區(qū),此處不宜布置熱流量較高的元件和熱敏元件。風道5風道6自然對流獨立散熱風道,與風道4類似,無風扇,機柜出風口在后門的頂部。插框進出風口的大小根據(jù)發(fā)熱量和插框高度而定。機柜后面的風道要求有足夠的寬度,根據(jù)具體設計而定。如果機柜中有的插框需要風扇冷卻,有的插框自然散熱即可(如發(fā)熱量不大的電源模塊框),則采用獨立風道的方式,結(jié)合風道4與風道5,均可滿足要求。這樣能夠減少風扇,降低噪音與成本。為LUCENT寬帶傳輸?shù)臋C柜風道,與風道4、5類似,插框獨立散熱。兩個子框采用鼓風方式,最下面的插框自然散熱。風扇斜放的角度盡量大于45°,避免風扇進風不利和產(chǎn)生較大的噪音。風扇前面的斜板為防塵板,在這里安置防塵板,能夠增加防塵面積,減小阻力,均化流場。如圖可見,采用鼓風方式的獨立風道將大大增加機柜高度。風道7風道8為風道6的改進版,將風扇框與出風口作為一體,可節(jié)省高度空間,斜板還有導風作用。注意對于常見的直徑120的風扇,標準風扇框的高度將達3U,比風道4中的一體化風扇框高1U,但局部散熱效果應比風道4的情況好,適用于散熱元器件比較集中且分布在風量集中區(qū)域的情況。風扇也可平放,高度可降低為2U,但噪音與進風會受一定影響。利用斜擋板將上下風道分為兩個部分獨立散熱,由于風扇進出風口沒有受到直接阻擋,其風阻將比風道4、7的情況要小,而且插框的流場均勻,無回流低速區(qū)?？筛鶕?jù)風阻情況增加風扇框。在富士通和三菱電機的寬帶CDMA樣機中均采用類似風道結(jié)構(gòu),但風扇框直接放在進風口上面,噪音會比較大,但鼓風換熱強度高,這種方式進風量會受一定影響。風道9風道10此為CISCO1的系統(tǒng)風道設計。頂框為電源框,自帶風扇前后通風。下面有三個插框,風道的頂部與底部各有一個風扇框,采用離心風扇后排風,風扇的進風口前有一定高度的靜壓腔使各單板送風均勻。由中間插框的前面板進風,裝有防塵網(wǎng)。這種風道將上下框的散熱量分開,避免了熱量的疊加,直接利用插框高度作為進風口,節(jié)省了機柜的高度空間。此為CISCO7513的系統(tǒng)風道設計。底部為電源模塊,自帶風扇前后通風。頂部為離心風扇,向單板區(qū)抽風冷卻,由機箱后下方進風,經(jīng)機箱前面深約200的風道向前下方排出。風道11風道12MotorolaCPX8216機箱風道。采用可變速軸流風扇鼓風,風扇豎放,風扇的出風口處裝有導風葉片,將氣流按系統(tǒng)熱量分布分為三個部分,一部分冷卻電源模塊,一部分冷卻后插單板部分和前插單板的后半部分,一部分冷卻前插單板靠近拉手條的發(fā)熱元器件。這種設計使結(jié)構(gòu)緊湊,風量合理分配。這是典型的機箱通風風道設計,采用離心風扇抽風,向后排出,進風口在機箱前下方。威圖和國外一些產(chǎn)品都采用這種風道。我們當前掌握的離心風扇資料中沒有合適的型號可用于這種設計,主要因為離心風機的風量過小,尺寸大,噪音也大。風道13風道14風道12中如果沒有合適的離心風扇型號可選,可用軸流風扇豎放代替,但風扇模塊將占用較大高度空間。如果機箱高度有限制,可將風扇平放,但風扇出風口上方還是得留有一定出風空間,至少40mm,如風道4中的風扇框一樣,這種方式風阻較大,對風量有一定影響,需要采用較大尺寸風扇。鼓風式的機箱風道設計在Motorola的一些產(chǎn)品中能夠見到。鼓風的換熱強度比抽風時高,但送風不均勻,在風扇中心和風扇之間都存在回流死區(qū),要警惕這些死區(qū)的存在,將發(fā)熱芯片布置在氣流集中的地方。將風扇出風口和單板保持50mm的距離,可使流場均勻,但將增加高度空間。另外,風扇的進風口距離底板較近,會產(chǎn)生較大噪音,進風也受障礙,因此應盡量加大距離,距下壁面至少40mm。風道15風道16Motorola曾在其基站產(chǎn)品中采用這種風道設計,進風口在機柜上前方,在機柜底部采用兩個大離心風扇抽風,并向前方排出。這種通風方式與自然對流的方向背道而弛,主要是考慮避免高速氣流正對人吹。另外向機柜前方出風,避免了后出風時靠墻安裝所遇到的阻力。風道16為我司典型的模塊風冷、機柜自冷的電源系統(tǒng)風道結(jié)構(gòu),采用并聯(lián)風道,每一個單元都進行單獨通風冷卻,單元通風能夠是吹風或抽風。如果沒有前維護的需求,系統(tǒng)的出風口能夠在后門板上,位置最好直對風扇,頂部能夠密封;如果有前維護的需求,后門板不能出風,則需利用系統(tǒng)的”煙囪”效應,從頂部出風。如果系統(tǒng)有門,系統(tǒng)的進風口必須正對模塊,其通風面積按5.3.2計算。如果系統(tǒng)有前維護的要求,需采用頂部出風的風道結(jié)構(gòu),系統(tǒng)其它部分的密封是必須的,以防止風道短路及對上層配電元器件的影響。圖2典型系統(tǒng)風道結(jié)構(gòu)示意圖5.3.2系統(tǒng)通風面積的計算通風口的面積大小應為:S＝(1.5-2.0)(N×S模塊)………………(1)S模塊系統(tǒng)通風面積,m2N每層模塊的總數(shù)S模塊每一個模塊的通風面積,m25.3.3系統(tǒng)前門及防塵網(wǎng)對系統(tǒng)散熱的影響如果前門的進風口位置滿足要求,而且進風面積足夠,一般來講,開門與關門有約2-5℃差異。如果需在系統(tǒng)上加防塵網(wǎng),即使采用粗效的防塵網(wǎng),也將帶來5-10℃的差異。5.4模塊級的熱設計5.4.1模塊損耗的計算方法模塊的損耗可由下式計算.Pdiss=(1/η-1)Pout………(2)Pdiss--模塊的損耗,WPout--模塊的輸出功率,Wη--模塊的效率功率損耗Pdiss是由于發(fā)熱器件的發(fā)熱而引起的,這些發(fā)熱器件包括開關管(MOSFET,IGBT),整流管(整流二極管及FRED),濾波電感,變壓器以及開關管的驅(qū)動等。5.4.2機箱的熱設計5.4.2.1機箱的選材如果需利用模塊的機箱作為散熱器,則模塊機箱必須選用鋁合金材料,且模塊內(nèi)壁不得進行拉絲處理,材料的厚度不得低于1.5mm。如果不利用機箱進行散熱,則模塊機箱選材不受限制。5.4.2.2模塊的通風面積5.4.2.2.1風扇側(cè)的通風面積無論是抽風還是吹風方式,安裝風扇側(cè)的通風面積即為風扇的流通面積,按下式計算:S＝K×0.785(Dout2-DHUB2)……………(3)S-風扇側(cè)機箱的通風面積,m2k-冗余系數(shù),取1.1-1.2Dout－風扇框的內(nèi)直徑,mDHUB－風扇中心HUB的直徑,m5.4.2.2.2非風扇側(cè)的通風面積如果抽風風扇,非風扇側(cè)的通風面積大于等于風扇側(cè)的通風面積。如果吹風風扇,考慮到空氣受熱體積膨脹的因素,非風扇側(cè)的通風面積=(1.5-2.0)×風扇側(cè)的通風面積。5.4.2.3機箱的表面處理從熱設計角度,無論機箱還是散熱器,不推薦表面進行任何處理,額外的表面處理對散熱貢獻較小,卻增加了產(chǎn)品成本。5.5單板級的熱設計5.5.1選擇功率器件時的熱設計原則5.5.1.1在其它性能參數(shù)相同的情況下,應優(yōu)先選用允許結(jié)溫Tj高的功率器件(根據(jù)供應商手冊提供的數(shù)據(jù)進行篩選)。5.5.1.2在其它性能參數(shù)相同的情況下,應優(yōu)先選用結(jié)殼熱阻Rjc較小的功率器件(根據(jù)供應商手冊提供的數(shù)據(jù)進行篩選)。5.5.1.3在其它性能參數(shù)相同的情況下,優(yōu)先選用封裝尺寸較大的功率器件(根據(jù)供應商手冊提供的數(shù)據(jù)進行篩選),以減小器件與散熱器間的接觸熱阻Rcs。5.5.1.4對于MOSFET器件,在結(jié)殼熱阻Rjc相近的條件下,應優(yōu)先選用25℃下RD(ON)較小的器件。5.5.1.5對于IGBT器件,在結(jié)殼熱阻Rjc相近的條件下,應優(yōu)先選用相同門極電阻下開關能量較小的器件。5.5.2元器件布局的熱設計原則5.5.2.1一般性原則,如圖3所示圖3元器件布局原則示意圖最大損耗的元器件應靠近PCB邊緣。保證空氣流通并能夠以較大的風速流過較熱的區(qū)域。溫度敏感的元器件應盡量靠近進風口。高、大的元器件如電磁元件、電容等不能夠?qū)饬餍纬勺钃?。如果不能消除SWIRL的影響,即無法保證流出風扇框的流場是近似均勻的流場,則必須避免布置高熱器件在流場的旋渦區(qū)域,因為該區(qū)域風速最小。散熱器的安裝方向:要保證散熱器齒槽方向與風向平行散熱器周圍與其它元器件的距離推薦小于10mm。5.5.3元器件的安裝元器件的安裝應盡量減少元器件殼與散熱器表面間的熱阻,即接觸熱阻。5.5.3.1為盡量減小傳導熱阻,應采用短通路,即盡可能避免采用導熱板或散熱塊把元器件的熱量引到散熱器表面,而元器件直接貼在散熱器表面則是最經(jīng)濟、最可靠、最有效的散熱措施。5.5.3.2為了改進器件與散熱器接觸面的狀況,應在接觸面涂導熱介質(zhì),常見的導熱介質(zhì)有導熱脂、導熱膠、導熱硅油、熱絕緣膠等。5.5.3.3對器件須與散熱器絕緣的情況,采用的絕緣材料應同時具有良好的導熱性能,且能夠承受一定的壓力而不被刺穿,詳見5.5.4。5.5.3.4把器件裝配在散熱器上時,應嚴格按照我司TS-S0E010《大功率管安裝設計工藝規(guī)范》中提供的安裝壓力或力矩進行裝配,壓力不足會使接觸熱阻增加,壓力過大會損壞器件,。5.5.3.5將大功率混合微型電路芯片安裝在比芯片面積大的鉬片上。5.5.3.6對于多層印制線路板,應利用電鍍通孔來減少經(jīng)過線路板的傳導熱電阻。這些小孔就是熱通路或稱熱道。5.5.3.7當利用接觸界面導熱時,采用下列措施使接觸熱阻減到最小。5.5.3.7.1盡可能增大接觸面積。5.5.3.7.2確保接觸表面平滑。5.5.3.7.3利用軟材料接觸。5.5.3.7.4扭緊所有螺栓以加大接觸壓力(注意不應殘留過大應力)。5.5.3.7.5利用合理的緊固件設計來保證接觸壓力均勻。5.5.4導熱介質(zhì)的選取原則為了解決功率器件與散熱器間的電氣絕緣問題,功率器件與散熱器間應加導熱絕緣材料,考慮到性價比,在散熱條件不是很惡劣,如功率器件損耗較小或功率器件處于有利的通風位置時,可選用通用的導熱絕緣材料SP400,其它條件下可選用散熱性能較好的SP900S,只有在特殊情況下,才允許選用SP。其性能參數(shù)如表1所示表1常見熱界面材料性能參數(shù)表材料Sil-padSil-pad900SSil-pad400陶瓷基片材料厚度(mm)0.25±0.0250.23±0.0250.23±0.0250.63±0.025導熱系數(shù)W/m.k3.51.60.927單位面積熱阻℃-cm2/W1.292.64.61.2使用溫度℃-60～180℃-60～180℃-60～180℃-60～180℃材料構(gòu)成硅橡膠/玻璃纖維硅橡膠/玻璃纖維硅橡膠/聚脂薄膜陶瓷＋三氧化二鋁實測熱阻值<0.4<0.6<0.9<0.35實測熱阻值是在采用TO－247封裝,在緊固壓力為12Kg.cm下測得的。5.5.4.1由于陶瓷基片在安裝時容易碎裂,因此不推薦使用陶瓷基片。5.5.4.2對于輸出部分,由于總是處于出風口的位置,一方面經(jīng)過其功率管表面及散熱器表面的風均為熱風,另外輸出二極管部分后面總會有輸出共模電感或差模電感之類的體積較大的器件,影響出風,因此該部分的散熱條件總是比較惡劣,為了減小散熱器的壓力,可考慮采用散熱器懸浮的方法去掉功率管與散熱器間的導熱絕緣膜,使功率管直接貼在散熱器上。5.5.4.3為了便于安裝,導熱絕緣膜可考慮選用單面背膠的方法解決導熱絕緣膜的定位問題,即先將導熱絕緣膜粘在安裝位置,再進行功率管的安裝與緊固。但必須注意,導熱絕緣膜背膠會增加其熱阻,由于膠不是良好的導熱介質(zhì),一般情況下,熱阻會增加30－40％,因此,在熱設計時需考慮該部分的冗余。5.5.4.4我司推薦的大部分導熱絕緣材料均采用硅橡膠為基體,質(zhì)地較軟,因此,在安裝時不需要涂硅脂;只有少數(shù)材料如SP400、SPK10、陶瓷基片等質(zhì)地比較硬的材料必須涂硅脂,要求硅脂必須涂敷均勻,硅脂層厚度小于0.15mm。5.5.5PCB板的熱設計原則PCB板熱設計的主要任務是有效地把印制板上的熱引導到外部(散熱器和大氣中)。5.5.1印制線的載流容量和溫升設計印制板時要保證印制線的載流容量,印制線的寬度必須適于電流的傳導,不能引起超過允許的溫升和壓降。在實際應用中,常有較大電流流過輸出端銅箔,如果輸出銅箔設計的過細,則會導致銅箔的溫度上升。印制電路板的材料、導電銅箔的厚度、容許溫升將影響到銅箔厚度應該多寬、能承受多大電流。一般對1盎司的環(huán)氧玻璃板,如果允許溫升小于10℃(考慮到系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境溫度可能超過70℃),則一般可按1A電流取1mm寬銅箔的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行銅箔設計。如假如流過的電流為5A,對1盎司的環(huán)氧玻璃板,其銅箔寬度可取5mm。實際可按照容許溫升的大小按照圖4進行選擇。圖41盎司環(huán)氧玻璃板電流與銅箔寬度的關系圖,需提醒的是,不同的基板材料生產(chǎn)廠家,不同的基板材料,則圖12顯示的電流與銅箔的關系是不相同的?？山?jīng)過實驗進行確定。5.5.2印制板的散熱5.5.2.1選用厚度大的印制線,以利于印制線的導熱和自然對流散熱。5.5.2.2減小元器件引線腿及元器件引線間的熱阻,增強元器件引線腿對印制線的熱傳導,增強導電性。5.5.2.3當元器件的發(fā)熱密度超過0.6W/cm3,單靠元器件的引線腿及元器件本身不足充分散熱,應采用散熱網(wǎng)、匯流條器等措施。5.5.2.4若發(fā)熱密度非常高,則元器件應安裝散熱器,在元器件和散熱材料之間應涂抹導熱膏。5.5.2.5以上措施仍不能充分散熱時,就應采用熱傳導性能好的印制板,如金屬基底印制板和陶瓷基底(高鋁陶瓷、氧化磚陶瓷、凍石陶瓷)印制板。5.5.2.6對塑封器件和SMD封裝的元器件,經(jīng)過管腳散熱成為主要的散熱器途徑之一,其熱設計應滿足以下原則:加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔,以加大PCB的散熱面積,如圖5所示圖5:改進管腳側(cè)散熱的措施之一散熱焊盤由過孔連接到內(nèi)層夾心層進行散熱和熱平衡圖6:改進管腳側(cè)散熱的措施之二5.5.2.7PCB焊盤的隔熱設計較大的焊盤及大面積銅皮對管腳的散熱十分有利,但在過波峰焊或回流焊時由于銅皮散熱太快,容易造成焊接不良,必須進行隔熱設計,常見的隔熱設計方法如圖7所示圖7:焊盤的隔熱設計5.5.6安裝PCB板的熱設計原則5.5.6.1自然冷卻條件下,對設備內(nèi)有多塊PCB板時,應與進風方向平行并列安裝,每塊PCB板間的間距應大于30mm,以利于對流散熱;對強迫風冷條件下,PCB板的間距能夠適當減小,但必須符合安規(guī)要求。5.5.6.2底板、隔熱板、屏蔽板、印制板的位置以不要阻礙或阻斷氣流為原則。5.5.7元器件結(jié)溫的計算為保證元器件的安全散熱,需要校核元器件的結(jié)溫是否工作在安全溫度下,首先得獲得如下數(shù)據(jù):元器件的耗散功率Q(額定值),結(jié)點(junction)的安全工作溫度范圍Tjmax(最大值和推薦值),結(jié)至冷卻空氣熱阻Rja,結(jié)至殼熱阻Rjc,結(jié)至板熱阻Rjb,封裝方式,散熱表面外形尺寸(以上參數(shù)一般在元器件供應商提供的用戶手冊中能夠查到),PCB板的層數(shù),流過元器件的空氣溫度和速度(由系統(tǒng)級估算獲得),工作結(jié)溫按下式進行計算:5.5.7.1元器件背有散熱器對于帶銅板封裝的大功率元器件(典型如TO－220/TO-247等),其熱量經(jīng)過環(huán)氧表面(一般為TOP面)、管腳及銅板共3個渠道傳遞出來,由于結(jié)到環(huán)氧表面、結(jié)到管腳的熱阻較大,因此經(jīng)過銅板的傳熱為主要的傳熱途徑,如果銅板所貼的散熱器熱阻足夠小且流過環(huán)氧表面的風速小于1m/s,則經(jīng)過其它兩種路徑的傳熱基本能夠忽略,在已知散熱器臺面溫度Ts下,器件的工作結(jié)溫為:Tj=Ts+PT×Rth(j-s)≤0.8Tjmax……………(4)PT元器件的熱損耗,WRth(j-s)元器件結(jié)到散熱器表面的熱阻,℃/W對于無銅板的塑封器件,其熱量經(jīng)過環(huán)氧表面(一般為TOP面)、管腳共2個渠道傳遞出來,元器件不但經(jīng)過表面對流散熱,還經(jīng)過PCB板的導熱傳遞熱量。PCB的各層信號層、地層和電源層都鋪有大面積的銅,綜合的導熱系數(shù)比較高,整個PCB板就象是一塊大的平板散熱器,具有熱量均勻化的作用。因此應盡量減小結(jié)至板的熱阻,如BGA封裝有大量鋼珠直接和板接觸,熱阻比QFP的封裝方式小。一般較難計算散熱量在這兩條散熱路徑(表面對流與PCB導熱)上的分配比例,但經(jīng)驗表明對于BGA和QFP這樣的封裝,表面無散熱器時,PCB導熱量將占總發(fā)熱量的50%或以上,表面加散熱器時,表面熱阻大幅降低,則PCB導熱量將減小為很小一部分。5.5.7.2元器件無散熱器如果已知結(jié)到環(huán)境的熱阻,環(huán)境溫度,則器件的工作結(jié)溫為:Tj=Ta+PT×Rth(j-a)＝Ta+PT×(Rth(j-c)＋Rth(c-a))……………(5)如果沒有提供Rja,就需要運用經(jīng)驗公式計算芯片表面換熱系數(shù),并根據(jù)器件的表面散熱量計算殼體溫升Rth(c-a)=1/hA……………(6)式中A為表面換熱面積/m2,h為表面換熱系數(shù)/W/m2℃,用下式求出……………(7)式中b和m為實驗系數(shù),D為特征尺寸,由表-2查出;為空氣的導熱系數(shù)/W/m℃;Re為雷諾數(shù)。表-2.不同情況下的常數(shù)b和m橫截面及風向雷諾數(shù)bm特征尺寸D氣流垂直流過不同截面小柱體0.4-4.00.8910.33取柱體橫截面的水力直徑,即周長相同的圓形截面直徑,如邊長為d的正方形的水力直徑為,對于垂直流過薄板取板寬的1/2。4.0-400.8210.38540-40000.6150.4664000-400000.1740.61840.0240.8052500-8000(A)(B)0.160.0920.6990.6752500-7500(A)(B)0.2610.2220.6240.5884000-150000.2050.7313000-150000.0850.8042500-150000.2240.621沿平板流動〈105層流0.660.5沿流動方向平板長度〉105紊流0.0320.8注:A為Reiher的研究結(jié)果,B為Hilpert的研究結(jié)果[算例]:一個2N2905晶體管(TO-5殼體尺寸)在穩(wěn)定功率條件下,在50℃的環(huán)境中耗散功率0.25W,結(jié)點到殼體的熱阻為33℃/W,晶體管在90℃結(jié)溫下能正常工作。晶體管安裝在電路板上,如圖所示,當掠過晶體管的空氣速度為1.3m/s時,求晶體管能否正常工作。圖82N2905晶體管示意圖解:查得50℃時空氣的物性參數(shù)為。晶體管的水力直徑為,用下式計算雷諾數(shù)雷諾數(shù)在40~4000之間,從表1中查得,代入方程2得晶體管的表面換熱面積這種封裝方式下僅三根細導線與單板相連,經(jīng)過單板的導熱量能夠忽略,則晶體管表面的溫升為結(jié)點到殼體的溫升為晶體管的結(jié)點溫度為因此在1.3m/s的冷卻空氣流速下能夠保證晶體管正常工作。5.6散熱器的選擇與設計5.6.1散熱器需采用的強迫冷卻方式的判別對通風條件較好的場合,散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2,必須采用強迫風冷。對通風條件較惡劣的場合:散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2,必須采用強迫風冷。5.6.2強迫風冷散熱器的設計要點5.6.2.1在散熱器表面加波紋齒,波紋齒的深度一般應小于0.5mm。5.6.2.2增加散熱器的齒片數(shù)。當前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比,國內(nèi)當前高寬比最大只能達到8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合,可采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片成型的冷板,其齒間距最小可到2mm。5.6.2.3采用針狀齒的設計方式,增加流體的擾動,提高散熱齒間的對流換熱系數(shù)。5.6.2.4當風速大于1m/s(200CFM)時,可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。圖9散熱器基板厚度與熱阻的關系曲線圖10不同通風條件下散熱器的最佳齒間距5.6.2.5散熱器基板厚度對散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響,太薄熱容量太小,太厚熱阻反而增加,圖9表示出了基板厚度的最佳范圍。對分散式散熱來講,基板厚度一般為3-6mm為最佳。5.6.2.6散熱器齒間距的確定:散熱器齒間距的大小與風速有較大的關系,不同通風條件,其最佳的齒間距是不一樣的,圖10表示出了常見通風風速下最佳的齒間距。5.6.2.7散熱器齒片厚度的確定:不同的齒片厚度,其對應的齒間距是不一樣的,如圖11所示。圖11表示出了不同齒厚對應的最佳齒間距。5.6.2.8在一定冷卻條件下,所需散熱器的體積熱阻大小按表3進行成本確定。表3不同冷卻條件下對應的散熱器體積熱阻冷卻條件散熱器體積熱阻℃－cm3/W自然冷卻500-8001.0m/s(200CFM)150-2502.5m/s(500CFM)80-1505.0m/s(1000CFM)50-80注意:表2只能作為初選散熱器的參考,不能用它來計算散熱器的熱阻,散熱器的實際熱阻需按附錄A提供的方法計算。5.6.2.9一定的冷卻體積及流向長度下,按表4確定散熱器齒片最佳間距的大小表4不同冷卻條件及流向長度與散熱齒片最佳齒間距的關系冷卻條件流向長度(mm)75150225300自然冷卻6.57.510131.0m/s(200)4.05.06.07.02.5m/s(500)2.53.34.05.05.0m/s(1000)2.02.53.03.55.6.2.10不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率如表5所示,盡可能選用成型簡單的工藝以降低散熱器的加工成本。5.6.2.11散熱器的表面處理安裝元器件的散熱器表面的光潔度Ra≤1.6μm,平面度小于0.1mm。安裝元器件的散熱器表面不能進行拉絲處理。散熱器表面原則上不需要任何表面處理,因為進行表面處理對熱性能的改進貢獻較小,而成本增加確實顯著的。表5不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率散熱器成型方法傳熱效率,％成本參考沖壓件/光表面散熱器10－18低帶翅片的壓鑄散熱器/常規(guī)鋁型材15－22較低鏟齒散熱器25－32較高小齒間距鋁型材45－48高針裝散熱器/釬焊/錫焊/鏟齒/插片成型散熱器(冷板散熱器)78－90很高5.6.3風冷散熱器的輻射換熱考慮一般情況下,如果物體表面的溫度低于50℃,可忽略顏色對輻射換熱的影響。因為此時輻射波長相當長,處于不可見的紅外區(qū)。而在紅外區(qū),一個良好的發(fā)射體也是一個良好的吸收體,發(fā)射率和吸收率與物體表面的顏色無關。對于強迫風冷,由于散熱表面的平均溫度較低,一般可忽略輻射換熱的貢獻。5.6.4海拔高度對散熱器的設計要求海拔高度對強迫風冷影響的機理是由于隨著海拔高度的增加,空氣密度減小,空氣分子間碰撞的概率降低,對流換熱能力減弱。同樣,強迫對流換熱隨海拔高度的變化最終體現(xiàn)在對流換熱系數(shù)的變化上,美國軍用標準規(guī)定,低于5000米以下的高空,如果忽略空氣溫度的變化,可按(8)式計算海拔高度對強迫風冷換熱影響的強弱。hc(高空)＝hc(海平面)(p高空/p海平面)0.8………(8)hc(高空),hc(海平面)－分別為高空及海平面的強迫風冷對流換熱系數(shù),W/m.kp高空,p海平面－分別為高空及海平面的空氣壓力,帕斯卡5.6.5散熱器散熱量計算的經(jīng)驗公式表6強迫風冷時對流換熱系數(shù)的計算方法層流(Ra<105)紊流(Ra>105)hc＝(1.1-1.4)λ空氣0.66Ref0.5/Lhc＝(1.1-1.4)λ空氣0.032Ref0.8/L為了簡化計算,忽略散熱器的導熱熱阻,即假設模塊的熱量能夠均勻傳遞到散熱器的各表面,此時計算出的散熱量為模塊的最大散熱量:Q＝hc×F對流×△t×η……(9)hc自然對流換熱系數(shù),w/m2.k△t散熱器臺面允許溫升,℃η散熱器齒片效率(%)對直齒肋:η=th(mb)/(mb)(9-1)m=(2hc/λδ0)0.5(9-1-1)δ0:肋片根部厚度(m)b:肋高(m)如果Q<PD,表明散熱器的設計不滿足散熱要求,必須進行重新設計。5.6.6強化散熱器散熱效果的措施5.6.6.1盡可能增大散熱面積,增大散熱面積的途徑有三種:在散熱器表面加波紋齒,波紋齒的深度一般應小于0.5mm。加大散熱器尺寸。增加散熱器的齒片數(shù)。當前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比,國內(nèi)當前高寬比最大只能達到8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合,建議采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片成型的冷板,其齒間距最小可到2mm。5.6.6.2盡可能提高流過散熱器的風速,主要有兩種途徑:采用較大流量或壓頭的風扇;增加風扇的數(shù)量,可采用風扇并聯(lián)或串聯(lián)方式。優(yōu)化系統(tǒng)及單板布局,降低系統(tǒng)的流動阻力,提供風扇的實際出力。5.6.6.3增加流體擾動,提高對流換熱系數(shù),如加導流條等。5.7風扇的選擇與安裝的熱設計原則5.7.1多個風扇的安裝位置由于風扇出口風速的方向與風扇進口風速方向一般成約45°角,即呈現(xiàn)倒園錐的流場分布,因此在吹風應用的場合,要求兩個風扇之間最好加一個隔板或保持一個風扇厚度的間距,以避免兩股流相交而產(chǎn)生的噪音和死區(qū)。5.7.2風扇與最近障礙物間的距離要求為了避免風扇太靠近被冷卻物體而產(chǎn)生噪音,建議在吹風應用場合,風扇與單板風道入口至少應保持一個40mm的距離,以大于風扇直徑為最佳。圖12、圖13顯示了在吹風時與抽風時,風扇與障礙物之間的距離對風扇靜壓曲線的影響,從圖中能夠看出,在吹風時,只有在風扇與障礙物之間的距離大于75mm時其影響才較小,而在抽風時,在風扇與障礙物之間的距離大于50mm時其影響也較小。圖12:吹風時風扇與障礙物之間的距離圖13:抽風時風扇與障礙物之間的距離對風扇靜壓曲線的影響對風扇靜壓曲線的影響5.7.3消除風扇SWIRL影響的措施由于風扇旋轉(zhuǎn)慣量SWIRL的影響,加之實際產(chǎn)品不可能有足夠的空間允許流場能夠充分發(fā)展,因此風扇后的流場在到達障礙物時存在明顯的死區(qū),如圖14所示。如果不考慮這一點,把功率較大的元器件布置在此處,該元器件極可能應過熱而損壞。為了消除SWIRL的影響,可選擇以下措施:圖14風扇SWIRL對流場的影響5.7.3.1在風扇出口與障礙物之間加整流柵,整流柵厚度大于2mm,強迫流場在經(jīng)過整流柵后變得非常均勻,如圖15所示。圖15加整流柵后(有厚度、無厚度)流場的變化情況5.7.3.2如果不能加整流柵,必須保證風扇出口到障礙物間的間距大于于一個風扇的直徑,以使流場能夠充分發(fā)展而變得較均勻。5.7.3.3如果以上兩條測試都無法實現(xiàn),可經(jīng)過仿真分析得出流場的分布圖,再在PCB布局時避免把損耗較大的元器件布置在死區(qū)。5.7.4抽風條件下對風扇選型的限制選擇風扇一般以風扇進出口風溫的大小作為限制條件,對吹風條件下,進出口風溫一般沒有限制。而對于抽風的情況,由于風扇抽出的是熱風,對風扇的壽命將產(chǎn)生嚴重的影響。對風扇廠家,一般均以60℃作為標定風扇壽命MTBF的條件,如果風扇應用的環(huán)境溫度高于60℃,則溫度每升高5℃,風扇壽命下降一半。因此抽風條件下,風扇選擇應遵循以下原則:5.7.4.1如果進入風扇的風溫高于60℃時,應考慮選用高溫風扇以保證風扇的使用壽命。5.7.4.2如果進入風扇的風溫低于60℃時,一般以(60-環(huán)境溫度)℃作為限制條件來選擇風扇。例如:如擬選用的風扇廠家所采用的風扇壽命MTBF標定溫度為60℃,設備使用的環(huán)境溫度為45℃,則應以(60-45)=15℃作為選擇風扇風量的限制條件。5.7.5降低風扇噪音的原則風扇產(chǎn)生的噪音與風扇的工作點或風量有直接關系,對于軸流風扇在大風量,低風壓的區(qū)域噪音最小,對于離心風機在高風壓,低風量的區(qū)域噪音最小,如圖14所示,這和風扇的最佳工作區(qū)是吻合的。注意不要讓風扇工作在高噪音區(qū),5.7.5.1考慮合適的熱設計冗余,保持最佳的熱性能與噪音之比值。一般來講,稍微降低產(chǎn)品的溫度要求將導致產(chǎn)品噪音戲劇性降低;另外,由于在選擇風扇時總是以產(chǎn)品工作的最嚴酷的狀態(tài)來選定風扇的型號,而實際上產(chǎn)品總是工作在正常的額定功率或半載狀態(tài)下,因此風扇的冗余就顯得過大,噪音也就降不下來,如果考慮合適的冗余或經(jīng)過控制風扇的轉(zhuǎn)速就可大大降低產(chǎn)品的噪音水平。5.7.5.2盡可能降低系統(tǒng)的流動阻力,低的流動阻力意味能夠選用低轉(zhuǎn)速的風扇,其噪音水平也會相應降低。圖16風扇靜壓曲線與噪音變化曲線的對比圖5.7.5.3合理調(diào)整系統(tǒng)阻力與風扇的匹配,使風扇的工作點處于最佳的工作區(qū)域,而在最佳工作區(qū)域內(nèi)風扇具有較低的噪音水平。5.7.5.4相同的風速,推薦選用大一號的風扇更有利于降低系統(tǒng)的噪音。5.7.5.4避免把障礙物放在靠近風扇的氣流速度較高的區(qū)域。5.7.5.5在風扇與結(jié)構(gòu)件間加橡膠墊,以消除風扇振動而產(chǎn)生的噪音。5.7.5.6避免風扇與結(jié)構(gòu)件共振而產(chǎn)生噪音。5.7.5.7把風扇安裝在機箱內(nèi)側(cè)比安裝在外側(cè)噪音小。5.7.5.8把障礙物放在風扇的進風側(cè)附近較放在風扇的出風側(cè)產(chǎn)生的噪音大。5.7.5.9風扇進風口受阻擋所產(chǎn)生的噪音比其出風口受阻擋產(chǎn)生的噪音大好幾倍,因此一般應保證風扇進風口離阻擋物至少30mm的距離,以免產(chǎn)生額外的噪音。5.7.5.10對于不得不采用大風量,高風壓風扇從而產(chǎn)生較大噪音的情況,能夠在機柜的進風口、出風口、前后門內(nèi)側(cè)、風扇框面板、側(cè)板等處在不影響進風的條件下貼吸音材料,吸音效果較好的材料主要是多孔介質(zhì),如玻璃棉,厚度越厚越好。5.7.5.11有時由于沒有合適的風機而選擇了轉(zhuǎn)速較高的風機,在保證設計風量的條件下,能夠經(jīng)過調(diào)整風機的電壓或其它方式降低風扇的轉(zhuǎn)速,從而降低風扇的噪音。相應的噪音降低變化按下式計算:N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)……………….(10)5.7.6解決海拔高度對風扇性能影響的措施分散式散熱的基本思路是合理控制熱設計冗余,因此散熱器件的細微變化可能會導致產(chǎn)品在工作中應器件過溫而熱損壞。對風扇來講,隨著海拔高度的增加,風扇的性能曲線及系統(tǒng)的阻力曲線均會發(fā)生變化,如圖17、圖18所示,由于壓力正比于空氣的密度,而空氣的密度隨海拔高度的升高而逐漸降低,因此壓力也會隨海拔高度的升高而逐漸降低。在實際應用中,應按下式來進行校正:(P0)altitude=(P0)SeaLevel(altitude/SeaLevel)………….…..(12)△△PSeaLevelCurveHighltitudeHighltitudeCurveQQ圖17海拔高度對風扇性能曲線的影響QQ△PSeaSeaLevelCurveHighAltitudeHighAltitudeCurve圖18海拔高度對系統(tǒng)阻力曲線的影響5.7.7確定風扇型號的方法5.7.7.1先計算實際所須風量:q`=Q/(0.335△T)……………(13)q`實際所需的風量,m3/hQ散熱量,W△T--空氣的溫升,℃,一般為10－15℃。5.7.7.3確定風扇的型號5.7.7.3.1按經(jīng)驗公式:按照1.5-2倍的裕量選擇風扇的最大風量:q=(1.5-2)q`按最大風量選擇風扇型號。5.7.7.3.2按確定工作點的方法把風道曲線與風扇的靜壓曲線繪在一張圖上,其交點就是風機的工作點。工作點對應的風量若大于冷卻風量,風扇即滿足要求,否則重新選擇風扇,重復上面的工作,直到滿足要求為止。5.7.8吹風與抽風方式的選擇原則5.7.8.1優(yōu)先采用吹風方式,吹風有如下優(yōu)點:5.7.8.1.1風量相對較集中,能夠以較大的風速針對局部區(qū)域進行集中冷卻。5.7.8.1.2能夠有效防止風扇馬達過熱,提高風扇的使用壽命。5.7.8.1.3能夠以較大的壓力迫使灰塵不能夠在機箱內(nèi)聚積,而經(jīng)過出風口或縫隙流出,原則上可省掉防塵網(wǎng)。5.7.8.2只有在以下情況下才選擇抽風:5.7.8.2.1希望流場規(guī)則或呈現(xiàn)層流。5.7.8.2.2進風口無法安裝風扇。5.7.8.2.3不希望風扇馬達加熱空氣而對后面的元器件產(chǎn)生影響。5.7.9延長風扇壽命與降低風扇噪音的措施一般我們在確定風扇型號時,均是按產(chǎn)品工作最惡劣的工況,實際上產(chǎn)品大部分時間工作在輕載狀態(tài),元器件損耗較低,根本不需要風扇高速運轉(zhuǎn)。風扇高速運轉(zhuǎn)由兩個壞處:(1)系統(tǒng)噪音太大;(2)風扇壽命會較低。為了解決以上問題,可選用可調(diào)速風扇,經(jīng)過監(jiān)測元器件或散熱器的溫升來控制風扇的運轉(zhuǎn)。其原理為溫度傳感器將檢測到的溫度信號送回到監(jiān)控模塊,監(jiān)控模塊根據(jù)預先設置的溫度范圍來判斷風扇運轉(zhuǎn)的快慢,并自動調(diào)整風扇的電壓來使風扇按規(guī)定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。風扇的噪音變化可按等式(1)進行評估,而風扇的壽命預計可按(14)式評估:L預期＝L10×(U額定/U實際)3×(1/(2(T環(huán)-40)/10))……….(14)5.7.10風扇的串列與并聯(lián)5.7.1風扇的種類通信產(chǎn)品中運用的風扇有軸流(Axial)、離心(Radial)、混流(Mixed-flow)三種,它們的典型特性曲線見圖19圖19不同類型風扇的靜壓曲線圖中橫坐標表示風量,單位有m3/h、m3/min、CFM(立方英尺/分鐘,1CFM=4.72X10-4m3/s)。縱坐標表示風扇產(chǎn)生的靜壓,單位有Pa、inchofwater(=249Pa)、mmH2o(=9.8Pa)。由圖中能夠看出,要使風扇的風量越大,其產(chǎn)生的靜壓就越小,用于克服風道阻力的能力就越小。從圖中的對比能夠看出,軸流風扇風量大、風壓低,曲線中間的平坦轉(zhuǎn)折區(qū)為軸流風扇特有的不穩(wěn)定工作區(qū),一般要避免風扇工作在該區(qū)域。最佳工作區(qū)在低風壓、大流量的位置(曲線的后1/3段)。如果系統(tǒng)的阻力比較大,也能夠利用高風壓、低流量的工作區(qū)(曲線的前1/3段),但要注意風量是否達到設計值。離心風扇的進、出風方向垂直,其特點為風壓大、風量低,最好工作在曲線中壓力較高的區(qū)域?；炝黠L扇的特點介于軸流和離心之間,出風方向與進風有一傾斜角度,則風量能夠立即擴散到插框的各個角落,而且風壓與風量都比較大,但風扇HUB直徑較大,正對HUB的部分風速很低,回流比較嚴重。當前公司除極個別產(chǎn)品采用混流風扇外,一般都采用軸流風扇。我公司采用的風扇產(chǎn)品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON,其中PAPST的風扇雖然性能好,但在商務采購上評級為D,不推薦采用。NMB用得較多,DELTA樣品供貨較快。5.7.2風扇與系統(tǒng)的匹配空氣流過風道將產(chǎn)生壓力損失。系統(tǒng)的壓力損失有沿程阻力損失和局部阻力損失。沿程損失是由氣流相互運動產(chǎn)生的阻力及氣流與壁面或單板的摩擦所引起的。局部阻力損失是氣流方向發(fā)生變化或風道截面發(fā)生突變所引起的損失。不論哪種損失,均和當?shù)仫L速的平方成正比,如局部壓力損失由下式計算………(15)式中為阻力系數(shù),為空氣密度,v為風速。以下是一些典型的局部阻力系數(shù)表7典型局部阻力系數(shù)說明空氣由環(huán)境大空間進入進風口(流動突縮)1空氣由出風口進入環(huán)境大空間(流動突擴)1空氣經(jīng)過90°轉(zhuǎn)彎1.5流通面積率為0.3的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2)18流通面積率為0.5的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2)4流通面積率為0.7的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2)1系統(tǒng)的壓力損失與風量呈拋物線關系,風扇產(chǎn)生的靜壓必須克服阻力損失,將風扇的特性曲線與系統(tǒng)的特性曲線畫在同一張圖中,兩條曲線的交點即為風扇與系統(tǒng)的工作點,如圖20所示圖20風扇與系統(tǒng)的匹配工作點圖中表明風扇在該系統(tǒng)中工作時的風量為35m3/s,產(chǎn)生的靜壓為30Pa,系統(tǒng)的壓力損失為30Pa。如果工作點顯示的風量不滿足設計要求,則需要選擇其它型號的風扇來匹配,或設法降低系統(tǒng)阻力,增加風量。5.7.3風扇的串并聯(lián)在機柜/箱中一般為保證送風均勻和足夠的風量,采用風扇并聯(lián)使用的方式。風扇并聯(lián)時的特性曲線理論上為各風扇曲線的橫向疊加,如圖21所示,實際上一般會比理想曲線略低。由圖中能夠看出,兩個風扇并聯(lián)使用產(chǎn)生的風量并不是僅采用一個風扇時產(chǎn)生風量的兩倍,可能只增加30%,這和系統(tǒng)阻力特性曲線在工作點附近的斜率大小有關。如果系統(tǒng)阻力較大,阻力特性曲線較陡,當風扇并聯(lián)的數(shù)目多到一定程度時,并不能明顯增加風量。一般建議橫向上并聯(lián)風扇數(shù)目不要超過3個,如果插框較寬,能夠用4個,縱向上除非插框很深,一般只用一排。當機柜/箱的阻力較大時,能夠采用風扇串聯(lián)使用的方式。風扇串聯(lián)時的特性曲線理論上為各風扇曲線的縱向疊加,如圖22所示,實際曲線一般會比理論曲線略低。圖21風扇的并聯(lián)特性曲線圖22風扇的串聯(lián)特性曲線5.7.4在實際安裝情況下風扇特性曲線的改變風扇安裝在系統(tǒng)中,由于結(jié)構(gòu)限制,進風口和出風口常常會受到各種阻擋,其性能曲線會發(fā)生變化,如圖23所示。由圖中能夠看出,風扇的進出風口最好與阻擋物有40mm的距離,如果有空間限制,也應至少有20mm。圖23風扇特性曲線隨阻擋物的距離發(fā)生的變化5.8防塵對產(chǎn)品散熱的影響由于吹風與抽風方式對灰塵的吸附強弱是不一樣的,因而對是否安裝防塵網(wǎng)的需求也不一樣。一般來講,安裝防塵網(wǎng)后,元器件的溫升將升高10－15℃,在決定安裝防塵網(wǎng)的產(chǎn)品,必須考慮10－15℃的熱設計冗余。5.8.1抽風方式的防塵措施對抽風來講,由于外部壓力大于模塊內(nèi)部的壓力,灰塵非常容易進入模塊并附著在模塊內(nèi)部的PCB表面及功率管表面,嚴重影響產(chǎn)品的散熱性能及電氣性能,因此,抽風條件下,必須安裝防塵網(wǎng)。5.8.2吹風方式下的防塵措施對吹風來講,由于外部壓力小于模塊內(nèi)部的壓力,灰塵即使進入模塊內(nèi)部,也不容易附著在模塊內(nèi)部的PCB表面及功率管表面上,在壓差的作用下,進入模塊內(nèi)部的會經(jīng)過出風口或機箱的縫隙飛出,所有,在吹風條件下,實際上不需要安裝防塵網(wǎng),這在競爭對手的分散式散熱產(chǎn)品都能夠得到驗證,如APC的50A模塊、Delta的50A模塊等。當然,為了照顧特殊應用的場合如室外或比較臟的地方,也能夠把防塵網(wǎng)作為選件提供給用戶,但選用使用防塵網(wǎng)時,產(chǎn)品必須降額使用。如果不加防塵網(wǎng),散熱器的體積能夠減小20％,散熱成本至少能夠減少30％,而噪音水平也就更加容易達到標準了。5.8.3防塵網(wǎng)的選擇方法5.8.3.1輸入條件防塵網(wǎng)的性能需求防塵網(wǎng)與風扇通風量的匹配需求安裝防塵網(wǎng)的許可空間須滿足的標準或規(guī)范(NEBS、ETSI、CE、UL60950)5.8.3.2選擇防塵網(wǎng)的布驟5.8.3.2.1確定防塵網(wǎng)的尺寸(長、寬、高)。5.8.3.2.2計算氣流速度氣流速度＝所須的空氣流量/防塵網(wǎng)的表面積5.8.3.2.3確定防塵網(wǎng)的回收方式:一次性使用或可重復使用。5.8.3.2.4根據(jù)防塵網(wǎng)供應商提供的初阻力與來流速度的關系曲線(數(shù)據(jù)表)來初步選定防塵網(wǎng)的型號。5.8.3.2.5確定防塵網(wǎng)的型號及邊框尺寸。5.8.3.2.6確定防塵網(wǎng)的顏色。5.8.3.2.7確定安裝或拆卸防塵網(wǎng)是否需要專用工具?5.8.3.2.8準備出圖。6產(chǎn)品的熱測試6.1進行產(chǎn)品熱測試的目的6.1.1熱設計方案優(yōu)化對不同的方案進行比較,確定較優(yōu)的散熱設計方案。6.1.2熱設計驗證檢驗熱設計的合理性與有效性,驗證產(chǎn)品的有關熱設計指標是否滿足產(chǎn)品的熱設計驗證判定標準。6.2熱測試的種類及所用的儀器、設備6.2.1溫度測試6.2.1.1溫度測試的項目設備內(nèi)部環(huán)境溫度機箱表面溫升(自然對流換熱時測量)關鍵元器件和發(fā)熱元器件的表面溫升散熱器和冷板的熱點溫升冷卻空氣入口溫度與出口溫升6.2.1.2溫度測量儀器類型溫度測量儀器包括熱電偶、玻璃溫度計、示溫漆和示溫蠟、電阻溫度計、熱敏電阻、光學溫度計、紅外掃描系統(tǒng)等。6.2.1.3熱電偶6.2.1.3.1熱電偶的選擇熱電偶的種類較多,就通信設備來講,由于我們設備的溫度一般低于200℃以下,在該范圍內(nèi)銅-康銅或鎳鉻-銬銅熱電偶具有較高的精度,為K型熱電偶,其分度值應符合GB2903和GB4993的規(guī)定。熱電偶的測試精度為±0.1℃。6.2.1.3.2熱電偶的焊接方法一般采用熔焊的方法把銅-康銅或鎳鉻-銬銅焊接在一起,不允許采用把銅-康銅絲直接鉸在一起的方法。6.2.1.3.3熱電偶的粘接方法及減小測量誤差的措施熱電偶采用導熱膠粘接粘貼在被測表面,為了保證測試結(jié)果的精度,熱電偶探頭固定在測溫表面上時,必須將一段熱電偶導線沿測溫表面的等溫線布置,這樣能夠消除熱電偶導線本身導熱而導致的測量誤差。導線長度應大于10mm,如圖24所示[6]圖24熱電偶與被測表面的接觸形式6.2.1.3.4與熱電偶配套的檢測儀表熱電偶的溫度檢測一般采用多路采集器,如FLUKE公司的Hydralogger及日本恒河公司的DR230系列等。測試精度為±0.1℃。6.2.1.4玻璃溫度計玻璃液體溫度計一般見來測量流體溫度和校準其它的測溫儀器如熱電偶等。玻璃溫度計的精度能夠達到±0.01℃。6.2.1.5示溫漆與示溫蠟示溫漆是一種隨溫度變化而變化的漆,漆的顏色變化達四種之多,不同的顏色代表不同的溫度。示溫漆還能夠用于顯示某個區(qū)域的溫度場及熱流模式。示溫蠟是在特定的溫度下熔化的蠟狀物質(zhì),從而顯示出溫度。示溫漆與示溫蠟的精度較差,一般在±5℃(±9℉)6.2.1.6電阻溫度計電阻溫度計與熱電偶的原理及用途相似,兩者均因輻射影響而產(chǎn)生誤差。其精度為±0.1℃。6.2.1.7熱敏電阻熱敏電阻遵循電阻測溫學的原理,由于它的溫度系數(shù)很大,因此靈敏度高得多,其缺點是容易老化,需進行定期校準,其測試精度為±0.1℃。6.2.1.8光學溫度計、紅外掃描系統(tǒng)等。光學溫度計、紅外掃描系統(tǒng)均經(jīng)過測量一個熱源的紅外輻射而得到溫度。其測試精度最高能夠達到±0.3℃。由于測量時必須準確知道被測表面的發(fā)射率且要求被測表面必須可見,限制了它們的使用。6.2.2速度測量6.2.2.1空氣流速測量內(nèi)容風道入口空氣流速風道出口空氣流速主要單板間和空槽位處的風速電源模塊或其它外購模塊入風口的流速測量空氣流速測量儀器一般使用的風速計有兩種:(1)翼型風速計(2)熱電式風速計6.2.2.2.1翼型風速計翼型風速計是由裝在一個軸上的許多葉片組成的。它經(jīng)過齒輪傳動機構(gòu)或信號發(fā)生器與某個經(jīng)過校準的裝置耦合。氣流的力量使葉片轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)速與氣流速度成正比。其測試精度為0.1m/s,典型的型號如臺灣生產(chǎn)的AM－402。6.2.2.2.2熱電式風速計熱電式風速計是由電流加熱的一小段細鉑絲組成,鉑絲電阻是其溫度的函數(shù)。鉑絲周圍的氣流使鉑絲冷卻,因而改變了它的電阻值。如果使鉑絲上的電壓或流過鉑絲的電流保持在一定值,則電壓或電流的變化就分別成為流經(jīng)鉑絲氣流速度的函數(shù)。其測試精度達到0.01m/s.典型熱電時風速計如熱球式風速儀,QDF－3電子微風儀,型號EY3-2A。6.2.2.2.3兩種風速計的比較由于翼型風速計風速計基本上是機械的,氣流溫度會導致軸承中的潤滑油蒸發(fā),從而改變了系統(tǒng)的摩檫力矩,導致測試誤差較大。而熱電時風速計在經(jīng)過校準后即具有相當?shù)木?故推薦采用熱電式風速儀。6.2.2.2.4風速測量注意事項風速計的定期校準由于風速計結(jié)構(gòu)復雜,短期使用后其標定值就可能發(fā)生變化,因此要求定期對風速計進行校準。一般要求3個月就必須校準一次。減小風速測量誤差的方法使用風速計測量時,必須進行3以上的重復測量,以平均值作為計量結(jié)果。6.2.3流體壓力的測量6.2.3.1流體壓力的分類當流體在管道中流動時,能夠測到三種壓力:(1)靜壓,(2)動壓,(3)總壓,一般只需測試出其中的兩種,第三種可經(jīng)過下面的公式(14)計算出來[4]:總壓＝靜壓＋動壓(14)動壓:是相對于流動速度的壓力,是流體動能的一種量度。靜壓:存在于流體中的壓縮壓力,是流體位能的一種量度。靜壓存在于靜止或運動的流體中,它能夠使流體流動,并使它克服阻力?？倝?是靜壓與動壓之和,是流體總能量的一種量度。壓力的測量方法6.2.3.2.1總壓的測量方法總壓能夠用一個簡單的皮托管就可測得,其測試壓力如圖25所示圖25總壓測試原理圖6.2.3.2.2靜壓的測量方法壓力計開口測量法,如圖26a.b.所示,流體的靜壓使流體上升一定的高度H,高度H即為所測的靜壓。靜壓管法:靜壓管是一種能夠不受管道內(nèi)表面光滑度影響的測壓儀器,它的端部或管口端迎著進口一側(cè)的氣流,其頂端封閉,并在管口端靠近出口一側(cè)的圓柱部分有幾個徑向小孔的園管。如圖26c.所示。abc圖26a.b.開口壓力測試法c.靜壓管6.2.3.2.3動壓的測量方法動壓是測量流體流速的基礎,如果只要求測量動壓時,有兩種方法:(1)把皮托管和壓力計開口測量法相結(jié)合的方法,如圖27a所示ab圖27a.測動壓的有壓力計開口的皮托管b.測動壓用的皮托靜壓管(2)使用靜壓皮托管,如圖27b所示以上三種測量方法,如果安裝、校準和操作適當,其準確度均在2％以內(nèi)。測量壓差的微壓計流體在管道中流動時,其壓差是指進口一側(cè)的壓力與出口一側(cè)的壓力之間的差值。在實際應用中,我們一般關注的是流體流過某一通道所產(chǎn)生的壓差,以便于合理選擇風扇。測量壓差的儀器一般微壓計,推薦采用傾斜式微壓計,如上海氣象儀器廠的YJB－1500型。7附錄7.1元器件的功耗計算方法根據(jù)實際使用工況,諸如工作電流,導通壓降等以及元器件的其它電氣參數(shù)計算元器件實際的功耗大小。元器件的種類不同,其功耗計算方法也不一樣,具體計算方法如下:7.1.1電阻電阻的發(fā)熱量由下式算得P=I2R或P=U2/R………………(16)I--流過電流值(A);R--電阻值(Ω)U--電阻兩端的電壓(V)7.1.2變壓器變壓器的包括銅損和鐵損兩部分Pb=Pw+Pc………………(17)銅損按下式計算:Pw=2×Ip×Np×Lp×Rz[2](17a)Ip-原邊有效電流,ANp-原邊繞組的匝數(shù),匝Lp-每圈的平均長度,cmRz-導線的阻抗,Ω/cm鐵損按下式計算:Pc=Pv×Ve[2]…………(17b)Pv-單位體積的鐵損,w/cm3Ve-鐵芯體積,cm3變壓器的溫升按下式計算:Δt=850Pb/As[2](17c)Pb-變壓器的總損耗,wAs-變壓器的表面積,cm27.1.3功率器件耗散功率計算7.1.3.1雙極型晶體管(IGBT)IGBT的功耗損耗主要由通態(tài)損耗(飽和損耗或穩(wěn)定損耗)及開關損耗兩部分,分別按下式計算:通態(tài)損耗(飽和損耗或穩(wěn)定損耗):Pc=UCEIcδ[3]………(18a)開關損耗:Ps=(1/2)UCEOIc(ton+toff)fs=(Eon+Eoff)fs[3]……(18b)總損耗:Pd=Pc+Ps……(18)式中:UCE--通態(tài)集電極一發(fā)射極電壓(V),給定值UCEo--斷態(tài)集電極一發(fā)射極電壓(V),給定值Ic--通態(tài)電流(A),給定值δ--占空比,給定值