工程師熱設(shè)計中的注意事項

如果假設(shè)電流過載嚴重，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(因為環(huán)境溫度或過載等引起均可);另一方面是加強散熱，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)計的常規(guī)方法。

　　我們機電設(shè)備常見的是散熱方式是散熱片和風扇兩種散熱方式，有時散熱的程度不夠，有時又過度散熱了，那么何時應(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*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)計手冊》的規(guī)定(如圖1)，根據(jù)可接受的溫升的要求和計算出的熱流密度，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，落在自然冷卻區(qū)內(nèi)，得出自然對流和輻射即可滿足設(shè)計要求。

　　大部分熱設(shè)計適用于上面這個圖表，因為基本上散熱都是通過面散熱。但對于密封設(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，不同體積功率密度所對應(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)熱一強迫風冷一液冷一蒸發(fā)冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導(dǎo)、輻射、自然對流等方法冷卻;0.122-0.43W/cm3強迫風冷;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℃時的推薦參考值，如果溫升要求低于40℃，就需要對散熱方式降額使用，0.122時就需要選擇強迫風冷，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)注意一個問題，是不是強迫風冷能滿足散熱要求，我們就可以隨便選擇風扇轉(zhuǎn)速呢，就好像說某件工作，?？茖W(xué)歷的知識水平即可勝任，是不是隨便抓個大專生就能做好呢，當然不是，風扇的轉(zhuǎn)速與氣流流速有直接關(guān)系，這里又涉及一個新概念——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。風道的熱阻涉及流體力學(xué)的一些計算，如果我們在熱設(shè)計方面要求不是很苛刻，可通過估算或?qū)嶒灥贸觯绻蠛芸量?，可以查閱《GJB/Z27-92 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊》，里面有很多系數(shù)、假設(shè)條件的組合，三言兩語說不清楚，個別系數(shù)我也沒搞明白如何與現(xiàn)實的風道設(shè)計結(jié)合，比如，風道中有一束電纜、風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，對一些系數(shù)則只能估算了，最準確的方式反而是實驗測量了。

　　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℃，計算所需散熱器的熱阻R。

　　計算：實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)這個數(shù)值選散熱器就可以了。

　　這里面注意一個問題，我們在計算中默認為熱耗≈芯片功率，對一般的芯片，我們都可以這樣估算，因為芯片中沒有驅(qū)動機構(gòu)，沒有其他的能量轉(zhuǎn)換機會，大部分是通過熱量轉(zhuǎn)化掉了。而對于電源轉(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，這時候就不能認為熱耗≈功率。

　　以上部分是定量設(shè)計部分的內(nèi)容，在有了一個定量的設(shè)計指導(dǎo)后，也有一些具體的工程技巧來幫助實現(xiàn)理論計算結(jié)果的要求。 一般的熱設(shè)計思路有三個措施：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;有點類似于電磁兼容方面針對發(fā)射源、傳播路徑、敏感設(shè)備的三個措施。

　　降耗是最原始最根本的解決方式，降額和低功耗的設(shè)計方案是兩個主要途徑，低功耗的方案需要結(jié)合具體的設(shè)計進行分析，不予贅述。器件選型時盡量選用發(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，對一些溫度敏感的特型元件進行溫度補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)一根細導(dǎo)線，標稱能通過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，標稱通過20A的電流，則同樣都是通過10A電流時，因為內(nèi)阻產(chǎn)生的熱損耗就會減小，熱量就小。而且因為降額，在環(huán)境溫度升高時，器件性能下降情況下，但因為有余量，即使性能下降，也能滿足要求，這是降額對于增強可靠性的另一個作用，將是另一篇博客文章的內(nèi)容。

　　導(dǎo)熱的設(shè)計規(guī)范比較多，挑一些比較常見的羅列：

　　1.進風口和出風口之間的通風路徑須經(jīng)過整個散熱通道，一般進風口在機箱下側(cè)方角上，出風口在機箱上方與其最遠離的對稱角上;

　　2.避免將通風孔及排風孔開在機箱頂部朝上或面板上;

　　3.為防止氣流回流，進口風道的橫截面積應(yīng)大于各分支風道截面積之和;

　　4.對靠近熱源的熱敏元件，采用物理隔離法或絕熱法進行熱屏蔽。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的零件安裝在機座上，利用底板做為該器件的散熱器，前提是機座為金屬導(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)計在一個印制板上，并密封、隔離、接地和進行散熱處理;