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，其功耗計算方法也不一樣，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...................(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 =2³Ip³Np³Lp³Rz [2] .......... ...... ......(17a)
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]..........................(17b)
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 [2]..................................(17c)
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]...........................(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]...................(19a)
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]........................(19b)
開通過程損耗：Pr=IcVDStrf/6 = Ic2tr tr'f/6Crss [2]………………(19c)
關斷時損耗 Poff=IcVcestonf[2.......................(19d) 關斷過程損耗：Pf=IcVDStff/6＝Ic2tf tf'f/6Coss [2].........(19e)
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......... ....................(19)
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]...... .......................(20a)
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]..................(20b)
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]…………….…………(20c)
IRM 朹反向漏電流，A
Kf-比例系數 resheji.com cliffcrag整理,一切資料來源于網絡.
VR-穩態反向電壓，V
總功耗＝d+Pon+Poff..................................(20)
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hellip;.........(21)
R對=1/（αF1）...................(21a)
F1--對流換熱面積(m)
α--對流換熱系數,按下式計算
自然對流： 層流 α＝1.42(△t/L)0.25
湍流 α＝1.31(△t)0.25
強迫風冷 層流 α＝0.66Ref 0.5
湍流 α＝0.032Ref 0.8
R輻--輻射換熱熱阻 ，可忽略不計
R導＝R 基板＋R肋導
＝δ/(λF2)+（(1/η)-1）R對流....…..............(21b)
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)
δ0：肋片根部厚度(m)
b. 肋高(m)
RSA＝δ/(λF2)＋1/(αF1η)
7.2.2 散熱器的流阻
散熱器的流阻包括沿程阻力損失及局部阻力損失
△P＝hf+hj
=λf²L/d²V2/2g+ζV2/2g[5]...........................(22)
λf --沿程阻力系數
層流區：Re=Vd/υ≤2300 λf=64/Re
紊統光滑區 4000<Re<105 λf=0.3164/Re0.25
L--流向長度(m)
d--當量水利直徑(m)
d=4A流通/濕周長
V--斷面流速(m/s)
ζ--局面阻力系數
突然擴大：ζ＝(1-A2/A1)
突然縮小：ζ＝0.5(1-A1/A2)
A1.A2為進口及出口面積(m)
υ--運動粘度系數（m2/s），從文獻[5]中查找
比較Rsa ≤[Rsa], △P≤[△P],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 冷板散熱器的計算方法
7.3.1 冷板的換熱方程
冷板的換熱計算的方程式包括對流換熱方程和能量平衡方程。
當安裝于冷板上的電子元器件所耗散的熱量通過導熱、對流傳給冷板時，換熱關系時為：
Q放＝hA△tmη0............................(23)
其中：h-------對流換熱系數，W/m2.℃
A-------參與對流的總面積，m2
△tm---對數平均溫差，℃
η0-----冷板的總效率
空氣通過冷板后所吸收的熱量為：
Q吸＝qmCp(t2-t1)................................(24)
其中：qm--------空氣的質量流量，kg/s
Cp--------空氣的定壓比熱，J/kg .℃
t1,t2-------空氣的進、出口溫度，℃
當達到熱平衡時，冷板放出的熱量應等于空氣吸收的熱量
7.3.2 冷板的換熱系數
冷板的換熱系數與肋片的形狀、結構形式、流量和空氣的物理性質有關
h= JGCpPr2/3 ................................(25)
其中：J-----考爾本數，J=6/Re 0.98 (Re<1800,層流)
J=0.023/Re 0.2 (Re>105,湍流)
G------質量流速，Kg/(s.m2)
Pr------普朗特數。
7.3.3 冷板的總效率
η0＝1－Af(1-ηf)/A.............................(26)
其中：ηf-----肋片的效率
Ar-----肋片的面積，m2
A------冷板的總面積，A＝At+Ar＋Ab, m2
At-----蓋板的面積，m2
7.3.4 冷板的設計計算
冷板的設計有兩類問題，校核計算和設計計算，
7.3.4.1校核計算，已知冷板的結構類型、尺寸、冷卻劑的流量和工作環境，要求校核冷板是否滿足所要求的傳熱量以及克服流經冷板通道的壓降；
(1)、已知參數：冷板的尺寸，肋片參數、空氣流量、當量直徑de(de=4χ/Afi)，通道面積Af，換熱面積A，冷板散熱器最高臺面溫度、風扇的流量及壓頭；
傳熱計算
(2)、確定空氣流過冷板后的溫升：
△t= Q/qmCp..............................(27)
(3)、確定定性溫度
tf=(2ts+t1+t2)/4..............................(28)
冷板臺面溫度 ts為假定值
(4)、確定定性溫度下的物性參數(μ、Cp、ρ、Pr)，流體的質量流速和雷諾數
G=qm/Af ......................……...............(29) Re=deG/μ
(5)、根據雷諾數確定流體的狀態(層流或紊流)，
Re<1800, 層流
Re>105, 湍流
(6)、根據流體的狀態(層流或紊流)計算考爾本數J
Re<1800,層流 J=6/Re 0.98
Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2
也可以根據齒形及雷諾數從GJB/Z 27-92 圖12－18查得
(7)、計算冷板的換熱系數
h= JGCpPr2/3
(8)、計算肋片的效率
m=(2h/λδ)0.5
ηf=th(ml)/ml（也可以根據ml值查相應的圖表得到肋片效率)
(9)、計算冷板的總效率
忽略蓋板及底板的效率，總效率為： A＝At+Ar＋Ab
η0＝1－Ar(1-ηf)/A
(10)、計算傳熱單元數
NTU＝hη0A/qmCp .......................(30) (11)、計算冷板散熱器的臺面溫度
ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1).....................(31)
流體流動阻力計算
(12)、計算流通面積與冷板橫截面積之比
σ=Af/Ac....................…….........(32)
(13)、查空氣進入冷板時入口的損失系數Kc=f(Re,σ)
根據雷諾數Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得
(14)、查空氣流出冷板時出口的損失系數Ke=f(Re,σ)
根據雷諾數Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得
(15)、查摩擦系數f=f(Re,σ)
根據雷諾數Re從GJB/Z 27-92 圖12－18查得
(16)、計算流動阻力
△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)...(26)
(17)、確定是否滿足ts<[ts]，如不滿足，需增大換熱面積或增大空氣流量。
確定是否滿足△P<[△P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等)或重新選擇壓頭較大的風扇。
7.3.4.2 設計計算：已知功耗、冷卻劑流量、壓降和工作環境，要求設計一個滿足要求的冷板裝置(結構尺寸)
(1)、根據預設的冷板結構尺寸，選取肋片參數，肋片間距，單位長度通道面積Ac0，單位長度、單位寬度的換熱面積Af0，初選風扇流量及壓頭。
傳熱計算
(2)、確定空氣流過冷板后的溫升：
△t= Q/qmCp
(3)、確定定性溫度
tf=(2ts+t1+t2)/4
冷板臺面溫度 ts為假定值
(4)、設定冷板的寬度為b，則通道的橫截面積為Ac
Ac=b³Ac0
(5)、確定定性溫度下的物性參數(μ、Cp、ρ、Pr)，流體的質量流速和雷諾數
G=qm/Af Re=deG/μ
(6)、根據雷諾數確定流體的狀態(層流或紊流)，
Re<1800, 層流
Re>105, 湍流
(7)、根據流體的狀態(層流或紊流)計算考爾本數J
Re<1800,層流 J=6/Re 0.98
Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2
也可以根據齒形及雷諾數從GJB/Z 27-92 圖12－18查得
(8)、計算冷板的換熱系數
h= JGCpPr2/3
(9)、計算肋片的效率
m=(2h/λδ)0.5
ηf=th(ml)/ml（也可以根據ml值查相應的圖表得到肋片效率)
(10)、計算冷板的總效率
忽略蓋板及底版的效率，總效率為： A＝At+Ar＋Ab
η0＝1－Ar(1-ηf)/A
(11)、計算傳熱有效度
ε=(t2-t1)/(ts-t1)............................(33)
(12)、計算傳熱單元數
NTU=㏑(1/(1-ε))...........................(34)
(13)、計算所需的傳熱面積
A＝qmCpNTU/hη0 (14)、計算冷板散熱器的長度
D＝A/Af0b
流體流動阻力計算
(15)、計算流通面積與冷板橫截面積之比
σ=Af/Ac
(16)、查空氣進入冷板時入口的損失系數Kc=f(Re,σ)
根據雷諾數Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得
(17)、查空氣流出冷板時出口的損失系數Ke=f(Re,σ)
根據雷諾數Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得
(18)、查摩擦系數f=f(Re,σ)
根據雷諾數Re從GJB/Z 27-92 圖12－18查得
(19)、計算流動阻力
△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)
(20)、確定是否滿足A<[A]，如果不滿足，重新設定b、D值，重復進行上述計算，直到滿足條件為止。
確定是否滿足△P<[△P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等)或重新選擇壓頭較大的風扇。
7.4 強迫風冷產品熱設計檢查模板
7.4.1 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？易于生產嗎？
? 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？
? 是否將發熱量大的元器件放在出風口處，將熱敏感元器件放在進風口處？
7.4.2 模塊布局及結構的的熱設計
? 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？
? 是否對氣流進行了合理分配和控制,以使所有的元器件都得到好處？
? 機箱的設計是否考慮了熱？選材利于散熱嗎？
? 機箱是否開有通風口？
? 通風口大小是否合適？
? 機箱內的流路是否通暢？
? 風扇的風量及壓頭是否合適？
? 風扇的種類是否合適？
? 風扇能否耐住模塊內的溫升？
? 風扇發生故障時，是否有保護措施？
? 是采用抽風還是鼓風方式？
? 對風扇的噪音是否進行了考慮？
? 風扇更換是否方便？
7.4.3 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？
? 是否充分利用了煙囪效應？
熱設計規范下載: 艾默生熱設計規范.pdf
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