工程師做熱設(shè)計(jì)不得不注意的若干事項(xiàng)
在調(diào)試或維修電路的時(shí)候,我們常提到一個(gè)詞“××燒了”,這個(gè)××有時(shí)是電阻、有時(shí)是保險(xiǎn)絲、有時(shí)是芯片,可能很少有人會(huì)追究這個(gè)詞的用法,為什么不是用“壞”而是用“燒”?其原因就是在機(jī)電產(chǎn)品中,熱失效是最常見的一種失效模式,電流過載,局部空間內(nèi)短時(shí)間內(nèi)通過較大的電流,會(huì)轉(zhuǎn)化成熱,熱聚。集不易散掉,導(dǎo)致局部溫度快速升高,過高的溫度會(huì)燒毀導(dǎo)電銅皮、導(dǎo)線和器件本身。所以電失效的很大一部分是熱失效。
那么問一個(gè)問題,如果假設(shè)電流過載嚴(yán)重,但該部位散熱極好,能把溫升控制在很低的范圍內(nèi),是不是器件就不會(huì)失效了呢?答案為“是”。
由此可見,如果想把產(chǎn)品的可靠性做高,一方面使設(shè)備和零部件的耐高溫特性提高,能承受較大的熱應(yīng)力(因?yàn)榄h(huán)境溫度或過載等引起均可);另一方面是加強(qiáng)散熱,使環(huán)境溫度和過載引起的熱量全部散掉,產(chǎn)品可靠性一樣可以提高。下面介紹下熱設(shè)計(jì)的常規(guī)方法。
我們機(jī)電設(shè)備常見的是散熱方式是散熱片和風(fēng)扇兩種散熱方式,有時(shí)散熱的程度不夠,有時(shí)又過度散熱了,那么何時(shí)應(yīng)該散熱,哪種方式散熱最合適呢?這可以依據(jù)熱流密度來評(píng)估,熱流密度=熱量 / 熱通道面積。
按照《GJB/Z27-92電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊》的規(guī)定(如圖1),根據(jù)可接受的溫升的要求和計(jì)算出的熱流密度,得出可接受的散熱方法。如溫升40℃(縱軸),熱流密度0.04W/cm2(橫軸),按下圖找到交叉點(diǎn),落在自然冷卻區(qū)內(nèi),得出自然對(duì)流和輻射即可滿足設(shè)計(jì)要求。
大部分熱設(shè)計(jì)適用于上面這個(gè)圖表,因?yàn)榛旧仙岫际峭ㄟ^面散熱。但對(duì)于密封設(shè)備,則應(yīng)該用體積功率密度來估算,熱功率密度=熱量 / 體積。下圖(圖2)是溫升要求不超過40℃時(shí),不同體積功率密度所對(duì)應(yīng)的散熱方式。比如某電源調(diào)整芯片,熱耗為0.01W,體積為0.125cm3,體積功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3,查下圖得出金屬傳導(dǎo)冷卻可滿足要求。
按照上圖,可以得出冷卻方法的選擇順序:自然冷卻一導(dǎo)熱一強(qiáng)迫風(fēng)冷一液冷一蒸發(fā)冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導(dǎo)、輻射、自然對(duì)流等方法冷卻;0.122-0.43W/cm3強(qiáng)迫風(fēng)冷;0.43~O.6W/cm3液冷;大于0.6W/cm3蒸發(fā)冷卻。注意這是溫升要求40℃時(shí)的推薦參考值,如果溫升要求低于40℃,就需要對(duì)散熱方式降額使用,0.122時(shí)就需要選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷,如果要求溫升很低,甚至要選擇液冷或蒸發(fā)冷卻了。
這里面還應(yīng)注意一個(gè)問題,是不是強(qiáng)迫風(fēng)冷能滿足散熱要求,我們就可以隨便選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)速呢,就好像說某件工作,??茖W(xué)歷的知識(shí)水平即可勝任,是不是隨便抓個(gè)大專生就能做好呢,當(dāng)然不是,風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與氣流流速有直接關(guān)系,這里又涉及一個(gè)新概念——熱阻。
熱阻=溫度差 / 熱耗 (單位℃/W)
熱阻越小則導(dǎo)熱性能越好,這個(gè)概念等同于電阻,兩端的溫度差類似于電壓,傳導(dǎo)的熱量類似于電流。風(fēng)道的熱阻涉及流體力學(xué)的一些計(jì)算,如果我們在熱設(shè)計(jì)方面要求不是很苛刻,可通過估算或?qū)嶒?yàn)得出,如果要求很苛刻,可以查閱《GJB/Z27-92 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊》,里面有很多系數(shù)、假設(shè)條件的組合,三言兩語說不清楚,個(gè)別系數(shù)我也沒搞明白如何與現(xiàn)實(shí)的風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)合,比如,風(fēng)道中有一束電纜、風(fēng)道的壁不是均勻的金屬板,而是有高低不平帶器件的電路板,對(duì)一些系數(shù)則只能估算了,最準(zhǔn)確的方式反而是實(shí)驗(yàn)測量了。
熱阻更多的是用于散熱器的選擇,一般廠家都能提供這個(gè)參數(shù)。舉例,芯片功耗20W,芯片表面不能超過85℃,最高環(huán)境溫度55℃,計(jì)算所需散熱器的熱阻R。
計(jì)算:實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻近似為0.1℃/W,則(R+0.1)=(85-55) ℃/20W,則R=1.4℃/W。依據(jù)這個(gè)數(shù)值選散熱器就可以了。
這里面注意一個(gè)問題,我們在計(jì)算中默認(rèn)為熱耗≈芯片功率,對(duì)一般的芯片,我們都可以這樣估算,因?yàn)樾酒袥]有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),沒有其他的能量轉(zhuǎn)換機(jī)會(huì),大部分是通過熱量轉(zhuǎn)化掉了。而對(duì)于電源轉(zhuǎn)換類芯片或模塊,則不可以這樣算,比如電源,它是一個(gè)能源輸出,它的輸入電量一部分轉(zhuǎn)化成了熱,另外很大部分轉(zhuǎn)化成電能輸出了,這時(shí)候就不能認(rèn)為熱耗≈功率。
以上部分是定量設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容,在有了一個(gè)定量的設(shè)計(jì)指導(dǎo)后,也有一些具體的工程技巧來幫助實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算結(jié)果的要求。 一般的熱設(shè)計(jì)思路有三個(gè)措施:降耗、導(dǎo)熱、布局。
降耗是不讓熱量產(chǎn)生;導(dǎo)熱是把熱量導(dǎo)走不產(chǎn)生影響;布局是熱也沒散掉但通過措施隔離熱敏感器件;有點(diǎn)類似于電磁兼容方面針對(duì)發(fā)射源、傳播路徑、敏感設(shè)備的三個(gè)措施。
降耗是最原始最根本的解決方式,降額和低功耗的設(shè)計(jì)方案是兩個(gè)主要途徑,低功耗的方案需要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,不予贅述。器件選型時(shí)盡量選用發(fā)熱小的元器件,如片狀電阻、線繞電阻(少用碳膜電阻);獨(dú)石電容、鉭電容(少用紙介電容);MOS、CMOS電路(少用鍺管);指示燈采用發(fā)光二極管或液晶屏 (少用白熾燈),表面安裝器件等。除了選擇低功耗器件外,對(duì)一些溫度敏感的特型元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償與控制也是解決問題的辦法之一,尤其是放大電路的電容電阻等定量測量關(guān)鍵器件。
降額是最需要考慮的降耗方式,假設(shè)一根細(xì)導(dǎo)線,標(biāo)稱能通過10A的電流,電流在其上產(chǎn)生的熱量就較多,把導(dǎo)線加粗,增大余量,標(biāo)稱通過20A的電流,則同樣都是通過10A電流時(shí),因?yàn)閮?nèi)阻產(chǎn)生的熱損耗就會(huì)減小,熱量就小。而且因?yàn)榻殿~,在環(huán)境溫度升高時(shí),器件性能下降情況下,但因?yàn)橛杏嗔?,即使性能下降,也能滿足要求,這是降額對(duì)于增強(qiáng)可靠性的另一個(gè)作用,將是另一篇博客文章的內(nèi)容。
導(dǎo)熱的設(shè)計(jì)規(guī)范比較多,挑一些比較常見的羅列:
1.進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的通風(fēng)路徑須經(jīng)過整個(gè)散熱通道,一般進(jìn)風(fēng)口在機(jī)箱下側(cè)方角上,出風(fēng)口在機(jī)箱上方與其最遠(yuǎn)離的對(duì)稱角上;
2.避免將通風(fēng)孔及排風(fēng)孔開在機(jī)箱頂部朝上或面板上;
3.為防止氣流回流,進(jìn)口風(fēng)道的橫截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積之和;
4.對(duì)靠近熱源的熱敏元件,采用物理隔離法或絕熱法進(jìn)行熱屏蔽。熱屏蔽材料有:石棉板、硅橡膠、泡沫塑料、環(huán)氧玻璃纖維板,也可用金屬板和澆滲金屬膜的陶瓷;
5.將散熱》1w的零件安裝在機(jī)座上,利用底板做為該器件的散熱器,前提是機(jī)座為金屬導(dǎo)熱材料;
6.熱管安裝在熱源上方且管與水平面夾角須》30度;
7.PCB用多層板結(jié)構(gòu)(對(duì)EMC也有非常非常大的好處),使電源線或地線在電路板的最上層或最下層…
8.熱源器件專門設(shè)計(jì)在一個(gè)印制板上,并密封、隔離、接地和進(jìn)行散熱處理;
9.散熱裝置(熱槽、散熱片、風(fēng)扇)用措施減少熱阻:
?。?)擴(kuò)大輻射面積,提高發(fā)熱體黑度;
?。?)提高接觸表面的加工精度,加大接觸壓力或墊入軟的可展性導(dǎo)熱材料;
?。?)散熱器葉片要垂直印制板;
?。?)大熱源器件散熱裝置直接裝在機(jī)殼上;
10.密封電子設(shè)備內(nèi)外均涂黑漆可輔助散熱;為避免輻射熱影響熱敏器件、熱源屏蔽罩內(nèi)面的輻射能力要強(qiáng)(涂黑),外面光滑(不影響熱敏器件),通過熱傳導(dǎo)散熱。
11.密封電子設(shè)備機(jī)殼內(nèi)外有肋片,以增大對(duì)流和輻射面積。
12.不重復(fù)使用冷卻空氣;
13.為了提高主要發(fā)熱元件的換熱效率、可將元件裝入與其外形相似的風(fēng)道內(nèi)。
14.抽鼓風(fēng)冷卻方式的選擇…
15.風(fēng)機(jī)的選擇…
16.被散熱器件與散熱器之間充填導(dǎo)熱膏(脂),以減小接觸熱阻;
17.被散熱器件與散熱器之間要有良好的接觸,接觸表面光滑、平整,接觸面粗糙度Ra≤6.3μm;
18.輻射是真空中傳熱的唯一方法,1確保熱源具有高的輻射系數(shù),如果處于嵌埋狀態(tài),利用金屬傳
評(píng)論