艾默生電子設(shè)備的自然冷卻熱設(shè)計規(guī)范

admin 2011-09-22

5.3.4 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，并且進風面積足夠，一般來講，開門與關(guān)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(shè)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………………………………………(4)
Pdiss -- 模塊的損耗,W
Pout--模塊的輸出功率,W
η--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(guān)管（MOSFET，IGBT），整流管（整流二極管及FRED），濾波電感，變壓器以及開關(guān)管的驅(qū)動等。
5.4.2 機箱的熱設(shè)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 模塊的散熱量的計算
5.4.2.2.1對密封機箱
QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4σSεTm3ΔT...(5)
S= Ss+St+Sb

如果計算出的散熱量QT≤需求散熱量Q，則必須選用通風機箱。
5.4.2.2.2 對通風機箱
QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4σSεTm3Δt+1000uAΔT ..……...(6)
QT -模塊的耗散功率，W
Ss－機箱側(cè)面內(nèi)壁的有效面積，m2
St 朹機箱頂部面積，m2
Sb-機箱的底面積，m2
Δt-風道進出口溫差，℃
σ－斯－波爾茲曼常數(shù)，為5.67³10-8W/m2.K
ε-輻射系數(shù)
Tm＝（T+Ta）/2
T-機箱的表面溫度，K
Ta－環(huán)境溫度，K
u- 自然風速，一般取0.1-0.2m/s
A-通風面積， m2
5.4.2.3 機箱輻射換熱的考慮
對于自然冷卻的機箱，大部分需承擔散熱器的功能，其表面溫升一般較高，約25-40℃，其表面的輻射換熱量在整個機箱的散熱量中占有較大的比重，有些甚至成為主要的散熱途徑，所以，在進行機箱的散熱計算時，不能忽略輻射換熱，可按計算式(5)-(6)中提供的方法計算輻射換熱，也可按下式進行計算：
Q輻射＝4σSε(Ts4-Ta4)…………………….(7)
S－機箱的有效面積，m2
σ－斯－波爾茲曼常數(shù)，為5.67³10-8W/m2.K
ε-輻射系數(shù)
Ts-機箱的表面溫度，K
Ta－環(huán)境溫度，K
必須牢記，電子設(shè)備由于溫度不是太高，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，以在考慮機箱的輻射換熱時，必須同時考慮機箱表面輻射吸收的熱量及機箱表面輻射散出的熱量。
對于模塊，基本處于室內(nèi)，不涉及太陽輻射的問題，如果模塊周圍沒有溫度高于模塊的物體，其機箱表面吸收的輻射熱量可以不考慮，只需考慮機箱表面的散熱量，所以機箱表面的實際輻射散熱量對于機箱表面輻射散出的熱量。
Q實際輻射＝Q輻射散熱
如果模塊周圍有溫度高于模塊的物體，其機箱表面吸收的輻射熱量必須考慮，機箱表面的實際散熱量按(8)式計算：
Q實際輻射＝Q輻射散熱－Q輻射吸熱………………(8)

5.4.2.4 機箱的表面處理
從熱設(shè)計角度，無論機箱還是散熱器，不推薦表面進行任何處理，額外的表面處理對輻射散熱貢獻較小，卻增加了產(chǎn)品成本。
5.5 單板級的熱設(shè)計
5.5.1 選擇功率器件時的熱設(shè)計原則
5.5.1.1 在其它性能參數(shù)相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用允許結(jié)溫Tj高的功率器件（根據(jù)供應(yīng)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(yīng)優(yōu)先選用結(jié)殼熱阻Rjc較小的功率器件(根據(jù)供應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)優(yōu)先選用相同門極電阻下開關(guān)能量較小的器件。
5.5.2 元器件布局的熱設(shè)計原則
5.5.2.1電阻的散熱一般是通過固定連接片或引線兩端的傳導(dǎo)以及本身的輻射，對流進行散熱的，所以電阻表面應(yīng)涂覆無光澤的粗糙漆，放置位置應(yīng)便于對流散熱并加大與其它元件之間的距離。
5.5.2.2 對不加屏蔽罩的變壓器，鐵芯與支架、支架與固定面之間應(yīng)有良好的接觸，以使接觸熱阻最低;
對帶屏蔽罩的變壓器，外罩必須與固定面良好接觸，把變壓器的固定面用支架墊高，并在底板上開通風孔，以形成氣流對流。
5.5.2.3 對模塊內(nèi)部不能夠吹到風的PCB板，在布置元器件時，元器件與元器件之間，元器件與結(jié)構(gòu)件之間應(yīng)保持一定距離，以利空氣流動，增強對流換熱.
5.4.3.3.1對相鄰的兩垂直發(fā)熱表面，d/L=0.25，如圖3-(a)所示。
5.4.3.3.2 對相鄰的垂直發(fā)熱表面與冷表面間距,dmin=2.5mm, 如圖3-(b)所示。
5.4.3.3.3 對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的上表面之間,d/D=0.85, 如圖3-(c)所示。
5.4.3.3.4 對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的垂直表面之間,d/D=0.7, 如圖3-(d)所示。
5.4.3.3.5 對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的水平底面之間,d/D=0.65, 如圖3-(e)所示。中國熱設(shè)計網(wǎng):http://www.93ssc.com

5.4.3.4 在PCB上布置各種元器件時，應(yīng)將功率大、發(fā)熱量大的元器件放在邊沿和頂部，以利于散熱。
5.4.3.5應(yīng)將不耐熱的元件(如電解電容)放在靠近進風口的位置，而將本身發(fā)熱而又耐熱的元件(如電阻,變壓器等)放在靠近出風口的位置。
5.4.3.6 在PCB上布置各種元器件時，應(yīng)將功率大、發(fā)熱量大的元器件放在出風口的位置。
5.4.3.7 對熱敏感元件，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采用“熱屏蔽”方法解決。
5.5.3 元器件的安裝
元器件的安裝應(yīng)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(dǎo)熱阻，應(yīng)采用短通路，即盡可能避免采用導(dǎo)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 為了改善器件與散熱器接觸面的狀況，應(yīng)在接觸面涂導(dǎo)熱介質(zhì)，常用的導(dǎo)熱介質(zhì)有導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)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(yīng)同時具有良好的導(dǎo)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(yīng)嚴格按照我司TS-S0E0102012《大功率管安裝設(shè)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(yīng)利用電鍍通孔來減少通過線路板的傳導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)殘留過大應(yīng)力)。
5.5.3.7.5 利用合理的緊固件設(shè)計來保證接觸壓力均勻。
5.5.4 導(dǎo)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(yīng)加導(dǎo)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(dǎo)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SP2000。其性能參數(shù)如表4所示
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，所以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，一方面通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，所以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(dǎo)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(dǎo)熱絕緣膜可考慮選用單面背膠的方法解決導(dǎo)熱絕緣膜的定位問題，即先將導(dǎo)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(dǎo)熱絕緣膜背膠會增加其熱阻，由于膠不是良好的導(dǎo)熱介質(zhì)，一般情況下，熱阻會增加30－40％，所以，在熱設(shè)計時需考慮該部分的冗余。
5.5.4.4 我司推薦的大部分導(dǎo)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、PK10、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。
5.5.5 PCB板的熱設(shè)計原則
PCB板熱設(shè)計的主要任務(wù)是有效地把印制板上的熱引導(dǎo)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(shè)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(dǎo)，不能引起超過允許的溫升和壓降。
在實際應(yīng)用中，常有較大電流流過輸出端銅箔，如果輸出銅箔設(shè)計的過細，則會導(dǎo)致銅箔的溫度上升。印制電路板的材料、導(dǎo)電銅箔的厚度、容許溫升將影響到銅箔厚度應(yīng)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(shè)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4 1盎司環(huán)氧玻璃板電流與銅箔寬度的關(guān)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3顯示的電流與銅箔的關(guān)系是不相同的。可通過實驗進行確定。
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(dǎo)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(dǎo)，增強導(dǎo)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(yīng)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(yīng)安裝散熱器，在元器件和散熱材料之間應(yīng)涂抹導(dǎo)熱膏。
5.5.2.5 以上措施仍不能充分散熱時，就應(yīng)采用熱傳導(dǎo)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，通過管腳散熱成為主要的散熱器途徑之一，其熱設(shè)計應(yīng)滿足以下原則：

5.5.2.7 PCB焊盤的隔熱設(shè)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(shè)計，常見的隔熱設(shè)計方法如圖7所示

5.5.6 安裝PCB板的熱設(shè)計原則
自然冷卻條件下，對設(shè)備內(nèi)有多塊PCB板時，應(yīng)與進風方向平行并列安裝，每塊PCB板間的間距應(yīng)大于30mm，以利于對流散熱。
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)（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(yīng)商提供的用戶手冊中可以查到），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)，其熱量通過環(huán)氧表面 (通常為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，所以通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，則通過其它兩種路徑的傳熱基本可以忽略，在已知散熱器臺面溫度Ts下 , 器件的工作結(jié)溫為：
Tj=Ts+ PT³Rth(j-s) ≤0.8Tjmax……………………………(9)
PT---元器件的熱損耗，W
Rth(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，其熱量通過環(huán)氧表面 (通常為TOP面)、管腳共2個渠道傳遞出來，元器件不僅通過表面對流散熱，還通過PCB板的導(dǎo)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(dǎo)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。所以應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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+ PT³Rth(j-a) ……………………………(10)

5.6 散熱器的選擇與設(shè)計
5.6.1散熱器需采用的自然冷卻方式的判別
對通風條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2可采用自然冷卻。
對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2可采用自然冷卻。
5.6.2 自然冷卻散熱器的設(shè)計要點
5.6.2.1考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。
5.6.2.2自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。
5.6.2.3自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強化輻射換熱。
5.6.2.4由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于3mm以上。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，太厚熱阻反圖8 散熱器基板厚度與熱阻的關(guān)系曲線而增加，圖8表示出了基板厚度的最佳范圍。對分散式散熱來將，基板厚度一般為3-6mm為最佳。
5.6.2.5 自然冷卻所需散熱器的體積熱阻為500-800℃－cm3/W(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。)
5.6.2.6一定的冷卻體積及流向長度下，按表5確定散熱器齒片最佳間距的大小
表5 不同冷卻條件及流向長度與散熱齒片最佳齒間距的關(guān)系
5.6.2.7 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率如表3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。
5.6.2.8 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，平面度對于0.1mm。
? 安裝元器件的散熱器表面不能進行拉絲處理。
表6 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率
5.6.3 自然冷卻散熱器的輻射換熱考慮
5.6.3.1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(guān)。
5.6.3.2 如果物體表面的溫度低于50℃，可不考慮輻射換熱的影響。
5.6.3.3輻射換熱面積計算時，如表面積不規(guī)則，應(yīng)采用投影面積。即沿表面各部分繃緊繩子求得的就是這一投影面積，如圖9所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。
5.6.4 海拔高度對散熱器的設(shè)計要求
對于自然對流，其傳熱機理是由于冷卻空氣吸熱后其密度減小，迫使重力場中的空氣上升而形成冷熱空氣的對流而產(chǎn)生熱量傳遞。由于隨著海拔高度的增加，空氣的密度逐漸減小，空氣上升的能力也就減少，自然對流換熱的能力減弱。自然對流換熱能力的變化最終體現(xiàn)在對流換熱系數(shù)的變化上，根據(jù)美國斯坦伯格的經(jīng)驗公式，如果忽略空氣溫度的變化，可按(11)式計算海拔高度對自然對流的影響強弱。
hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.5=hc(海平面) (p高空/p海平面)0.5 ..(11)
hc(高空)，hc(海平面)－分別為高空及海平面的自然對流換熱系數(shù)，W/m.k
ρ高空，ρ海平面－分別為高空及海平面的空氣密度，Kg/m2
p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
按照表7的計算公式計算自然對流換熱系數(shù)。
表7不同安裝條件下的自然對流換熱系數(shù)計算公式
為了簡化計算，忽略散熱器的導(dǎo)熱熱阻，即假設(shè)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＝hc³F對流³△t³η……………………………………(12)
hc-----自然對流換熱系數(shù)，w/m2.k
△ t---散熱器臺面允許溫升，℃
F對流---對流表面積，m2
η---散熱器齒片效率(%)
對直齒肋：
η=th(mb)/(mb)…………………..(12-1)
m=(2 hc/λδ0)0.5...………………….(12-1-1)
δ0：肋片根部厚度(m)
b: 肋高(m)
λ:導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.k
如果Q<[PD]，表明散熱器的設(shè)計不滿足散熱要求，必須進行重新設(shè)計。
5.6.6強化自然冷卻散熱效果的措施
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：
? 加大散熱器尺寸。
? 增加散熱器的齒片數(shù)，但不能太密。
5.6.6.2 散熱器豎直放置，散熱齒槽與氣流方向一致。
5.6.6.3 優(yōu)化熱源的排列方式，使其長邊與氣流方向一致。
5.6.6.4 表面進行發(fā)黑處理。