工程师做热设计时注意事项解读分析
按照上图,可以得出冷却方法的选择顺序:自然冷却一导热一强迫风冷一液冷一蒸发冷却。体积功率密度低于0.122W/cm3传导、辐射、自然对流等方法冷却;0.122-0.43W/cm3强迫风冷;0.43~O.6W/cm3液冷;大于0.6W/cm3蒸发冷却。注意这是温升要求40℃时的推荐参考值,如果温升要求低于40℃,就需要对散热方式降额使用,0.122时就需要选择强迫风冷,如果要求温升很低,甚至要选择液冷或蒸发冷却了。
这里面还应注意一个问题,是不是强迫风冷能满足散热要求,我们就可以随便选择风扇转速呢,就好像说某件工作,专科学历的知识水平即可胜任,是不是随便抓个大专生就能做好呢,当然不是,风扇的转速与气流流速有直接关系,这里又涉及一个新概念——热阻。
热阻=温度差 / 热耗 (单位℃/W)
热阻越小则导热性能越好,这个概念等同于电阻,两端的温度差类似于电压,传导的热量类似于电流。风道的热阻涉及流体力学的一些计算,如果我们在热设计方面要求不是很苛刻,可通过估算或实验得出,如果要求很苛刻,可以查阅《GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册》,里面有很多系数、假设条件的组合,三言两语说不清楚,个别系数我也没搞明白如何与现实的风道设计结合,比如,风道中有一束电缆、风道的壁不是均匀的金属板,而是有高低不平带器件的电路板,对一些系数则只能估算了,最准确的方式反而是实验测量了。
热阻更多的是用于散热器的选择,一般厂家都能提供这个参数。举例,芯片功耗20W,芯片表面不能超过85℃,最高环境温度55℃,计算所需散热器的热阻R。
计算:实际散热器与芯片之间的热阻近似为0.1℃/W,则(R+0.1)=(85-55) ℃/20W,则R=1.4℃/W。依据这个数值选散热器就可以了。
这里面注意一个问题,我们在计算中默认为热耗≈芯片功率,对一般的芯片,我们都可以这样估算,因为芯片中没有驱动机构,没有其他的能量转换机会,大部分是通过热量转化掉了。而对于电源转换类芯片或模块,则不可以这样算,比如电源,它是一个能源输出,它的输入电量一部分转化成了热,另外很大部分转化成电能输出了,这时候就不能认为热耗≈功率。
以上部分是定量设计部分的内容,在有了一个定量的设计指导后,也有一些具体的工程技巧来帮助实现理论计算结果的要求。 一般的热设计思路有三个措施:降耗、导热、布局。
一、降耗
降耗是不让热量产生;导热是把热量导走不产生影响;布局是热也没散掉但通过措施隔离热敏感器件;有点类似于电磁兼容方面针对发射源、传播路径、敏感设备的三个措施。
降耗是最原始最根本的解决方式,降额和低功耗的设计方案是两个主要途径,低功耗的方案需要结合具体的设计进行分析,不予赘述。器件选型时尽量选用发热小的元器件,如片状电阻、线绕电阻(少用碳膜电阻);独石电容、钽电容(少用纸介电容);MOS、CMOS电路(少用锗管);指示灯采用发光二极管或液晶屏 (少用白炽灯),表面安装器件等。除了选择低功耗器件外,对一些温度敏感的特型元件进行温度补偿与控制也是解决问题的办法之一,尤其是放大电路的电容电阻等定量测量关键器件。
降额是最需要考虑的降耗方式,假设一根细导线,标称能通过10A的电流,电流在其上产生的热量就较多,把导线加粗,增大余量,标称通过20A的电流,则同样都是通过10A电流时,因为内阻产生的热损耗就会减小,热量就小。而且因为降额,在环境温度升高时,器件性能下降情况下,但因为有余量,即使性能下降,也能满足要求,这是降额对于增强可靠性的另一个作用,将是另一篇博客文章的内容。
二、导热
导热的设计规范比较多,挑一些比较常见的罗列:
1.进风口和出风口之间的通风路径须经过整个散热通道,一般进风口在机箱下侧方角上,出风口在机箱上方与其最远离的对称角上;
2.避免将通风孔及排风孔开在机箱顶部朝上或面板上;
3.为防止气流回流,进口风道的横截面积应大于各分支风道截面积之和;
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