6 產品的熱測試
6.1 進行產品熱測試的目的
6.1.1熱設計方案優化
對不同的方案進行比較，確定較優的散熱設計方案。
6.1.2熱設計驗證
檢驗熱設計的合理性與有效性，驗證產品的有關熱設計指標是否滿足產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
? 設備內部環境溫度
? 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GB 2903和GB 4993的規定。熱電偶的測試精度為±0.1℃。
6.2.1.3.2 熱電偶的焊接方法
通常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面的等溫線 布置，這樣可以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10所示
圖10 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
熱電偶的溫度檢測通常采用多路采集器，如FLUKE公司的Hydra logger 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
玻璃液體溫度計通常用來測量流體溫度和校準其它的測溫儀器如熱電偶等。玻璃溫度計的精度可以達到±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。示溫漆還可以用于顯示某個區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，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，由于它的溫度系數很大，所以靈敏度高得多，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、紅外掃描系統等。
光學溫度計、紅外掃描系統均通過測量一個熱源的紅外輻射而得到溫度。其測試精度最高可以達到±0.3℃。由于測量時必須準確知道被測表面的發射率且要求被測表面必須可見，限制了它們的使用。
7 附錄
7.1 元器件的功耗計算方法
根據實際使用工況，諸如工作電流，導通壓降等以及元器件的其它電氣參數計算元器件實際的功耗大小。元器件的種類不同，其功耗計方法也不一樣，具體計算方法如下：
7.1.1電阻
電阻的發熱量由下式算得
P=I2R
或P=U2/R....………………(13)
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...………………....(14)
銅損按下式計算：
Pw =2³Ip³Np³Lp³Rz [2]  . .(14a)
Ip-原邊有效電流， A
Np-原邊繞組的匝數，匝
Lp-每圈的平均長度，cm
Rz-導線的阻抗，Ω/cm
鐵損按下式計算：
Pc=Pv³Ve[2]..…………....(14b)
Pv-單位體積的鐵損，w/cm3
Ve-鐵芯體積，cm3
變壓器的溫升按下式計算：
Δt=850Pb/As ....………(14c)
Pb-變壓器的總損耗，w
As-變壓器的表面積，cm2
7.1.3 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損耗(飽和損耗或穩定損耗)及開關損耗兩部分，分別按下式計算：
通態損耗(飽和損耗或穩定損耗)：
Pc=UCEIcδ[3]...………(15a)
開關損耗：
Ps=(1/2)UCEOIc(ton+toff)fs
= (Eon+Eoff)fs[3]..……....(15b)
總損耗：Pd=Pc+Ps ....……(15)
式中： UCE--通態集電極一發射極電壓(V)，給定值
UCEo--斷態集電極一發射極電壓(V)，給定值
Ic--通態電流(A)，給定值
δ--占空比，給定值
Eon,Eoff--開關能量(焦耳)，從器件數據手冊中查出。
fs--開關頻率，給定值
7.1.3.2 功率MOSFET
MOSFET的損耗包括開關損耗和通態損耗兩部分
通態功耗： Pd=IDS2RDS(ON)[3]……………………..(16a)
IDS--漏極電流，A,給定值
RDS(ON)-MOSFET在工作結溫下的通態熱阻，可按直接下式計算，也可以從器件數據手冊中查。
RDS(ON)(Tj)=Ro[1+α(Tj-25o)], Ω, 通態電阻
Ro--25℃時額定值，給定值
α--溫度系數，一般為：0.01
開關損耗：
開通時損耗： PON=IceoVcetofff[2]...………………....(16b)
開通過程損耗：Pr=IcVDStrf/6 = Ic2tr tr'f/6Crss [2]………………(16c)
關斷時損耗 Poff=IcVcestonf[2………………….(16d) 關斷過程損耗：Pf=IcVDStff/6＝Ic2tf

tf'f/6Coss [2]...………….(16e)
式中：Iceo－集電極與發射級間的穿透電流，A Ic--集電極電流，A
Vce－集電極與發射極間的電壓，V
Vceo-飽和壓降，V
ton，toff-開通及關斷時間，ns
tr,, tf-Vce的上升及下降時間，ns
tr', tf'-驅動波形上升或下降時間，ns
Crss, Coss 朚OSFET 的輸入與輸出電容
MOSFET的總損耗為：
Ptotal=Pd+Pon+Poff+Pr+Pf.... .……………….. ....(16)
7.1.3.3 DC-DC開關變換器輸出整流用功率二極管
功率二極管的損耗包括通態損耗及開關損耗兩部分
通態損耗：Pd=VFIF.D[5]. .…………..(17a)
式中：VF－正向導通壓降，V
IF.- 正向平均電流，A
D－占空比
開通損耗：Pon=IFVFRMtrrD f /1000[5]...………....(17b)
VRFM－正向恢復電壓，V
trr-反向恢復時間，ns
f-工作頻率，KHZ
關斷損耗：Poff=IRMKfVRtrrD f/2000[5]…………….………(17c)
IRM 朹反向漏電流，A
Kf-比例系數
VR-穩態反向電壓，V
總功耗＝d+Pon+Poff.…………….(17)
7.2 散熱器的設計計算方法
根據給定的結構尺寸，遵照散熱器的設計原則初步設計出一種散熱器，在按以下步驟進行校核計算。
6.2.1散熱器的熱阻
散熱器的熱阻是從大的方面包括三個部分。
RSA=R對+R導+ R輻....…………………....(18)
R對=1/（αF1）.…………………(19)
F1--對流換熱面積(m)
α--對流換熱系數,按下表計算
△T--散熱片與環境溫度之差
L-- 高(m)
R導＝R 基板＋R肋導
＝δ/(λF2)+（(1/η)-1）R對流....(20)
λ--導熱系數，w/m.h.℃
δ-- 散熱器基板厚度(m)
F2--基板的導熱面積(m)
F2=0.785*(d+δ)2
d- 發熱器件的當量直徑（m)
η-- 肋效率系數
對直齒肋：
η=th(mb)/(mb)
m=(2α/λδ0)
α：對流換熱系數(w/m2.K)
λ.導熱系數(W/m.K)
δ0：肋片根部厚度(m)
b. 肋高(m)
RSA＝δ/(λF2)＋1/(αF1η)..(21)
比較Rsa ≤[Rsa],如不滿足，重新進行設計散熱器形狀，重復上面的步驟進行設計，直到符合要求為止。
7.3自然冷卻產品熱設計檢查模板
7.3.1 元器件的選擇、排列與安裝時的熱設計
? 是否了解元器件的熱阻及極限結溫？
? 是否了解元器件的安裝力矩及接觸熱阻？
? 是否分清了熱敏感元器件？
? 是否分清了發熱量大的元器件？
? 熱敏感元器件與發熱量大的元器件排列安裝是否合適？
? 發熱量大的元器件是否采用了散熱器進行冷卻？
? 散熱器選用是否合適？設計是否合理？是否考慮了表面發黑？
? 發熱元器件的引線應盡量短，印制線應加寬。
? 接近發熱元器件的樹脂、線材等的耐熱是否充分？
? 由于熱引起的尺寸變化是否作了考慮？
? 元器件的排列是否考慮了煙囪效應？
? 元器件的安裝方向是否最優？
7.3.2 PCB板的排列、安裝時的熱設計
? PCB板的排列是否考慮了熱？（發熱量大的PCB不能緊挨排列）
? PCB板是否垂直安裝？排列的距離是否合適？
? PCB板的位置是否阻塞風道？
? 是否積極利用了煙囪效應？
7.3.3 模塊機箱的熱設計
? 機箱的設計是否考慮了熱？選材利于散熱嗎？
? 機箱的上下面是否開有通風口？
? 通風口大小是否合適？
? 機箱內的流路是否通暢？
? 散熱器的安裝位置是否符合煙囪效應？
6.3.4 機柜的熱設計
? 機柜的選材是否有利于散熱？
? 機柜是否開有通風口？
? 通風口的大小合適嗎？
? 是否考慮了模塊間的熱影響？
? 機柜的風路結構是否合理？(機柜帶風道還是不帶風道？)
? 是否充分利用了煙囪效應？
中國熱設計網:http://www.93ssc.com

熱設計規范下載:  艾默生熱設計規范.pdf

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