电子产品热设计基础知识（三）

观点 / Champion   

这是瓦特产品设计公众号的第 73 篇原创内容

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01

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热设计的实施过程

1.产品规格定义和产品系统设计阶段：

初步热设计→散热方式；散热风道方案；均部热荷载下的单板温度；指导单板器件布局。

2.产品详细设计阶段：

详细热设计→详细风道设计方案；单板关键芯片热分析和温度控制；散热器的选择和分析。

3.整机试装阶段：

测试验证和设计改进→热设计验证测试；解决遗留的、牵涉面小的散热问题。

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02

自然冷却风路的设计原则

· 功能单元(模块)布局应考虑机柜的风路设计要求, 对直齿型散热器, 应保证散热器的齿槽垂直于水平面, 有利于形成“烟囱”效应。

· 元器件应纵向排列,让元器件的长边与空气上升的方向平行。

· 机箱内元器件布置应较稀疏，有利于空气流通。

· 进出风口的高度差尽可能大。

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03

强迫风冷风路的设计原则

· 如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源；

· 如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效流到关键发热器件。

· 如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。

· 进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。

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04

风路和风道的设计原则· 

1.风路设计原则：

· 自然冷却条件下，对设备内有多块PCB板时，应与进风方向平行并列安装，每块PCB板间的间距应大于30mm，以利于对流散热；

· 对强迫风冷条件下，PCB板的间距可以适当减小，但必须符合安规要求。

· 底板、隔热板、屏蔽板、印制板的位置应以不要阻碍或阻断气流为原则。

2.风道设计原则：

一些产品如变频器有专门的通风管道，风道设计应注意下面几个问题：

· 风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力。

· 尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小。

· 风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为圆形，也可以是正方形或长方形。

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冷却方法的选择原则

1.冷却方法种类：

常用的冷却方式有：自然冷却，强迫风冷，强迫液冷，蒸发冷却，热电致冷，热管冷却，冷板技术。

2.选择冷却方法必须考虑的因素：

设备的热流密度，总损耗，能提供的散热表面积及体积，设备和元器件的允许温度(温升)，环境条件等。

3.确定冷却方法的原则：

在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，因为自然冷却不仅成本低，而且可靠性高。只有在自然冷却无法满足散热要求时，才考虑其它冷却。

当冷却表面的热流密度为0.024-0.039W/cm2，采用自然对流，上限适用于通风条件较差的情况，下限适用于通风条件较畅的场合。当冷却表面的热流密度为0.078W/cm2，采用强迫风冷。

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06

型材散热器的选择和设计原则

· 材质的选择

散热器材料应具有较高的导热系数，一般推荐使用：

铝型材散热器：6063（LD31） λ=180W/m.k；

特殊条件下：紫铜T2 λ=380W/m.k；

· 散热器的各项技术指标应符合GB11456-89《电力半导体器件型材散热器技术条件》。

· 散热器安装器件的表面光洁度Ra<1.6。

· 肋片高=(3-5)倍肋间距的设计具有最优的性能价格比。

· 表面应加波纹齿，波纹齿高为0.3-0.5mm,宽为0.5-1mm,以增加对流换热面积；

· 应保证散热器具有一定的基板厚度，推荐5-10mm之间；而对工作在间歇方式下的散热器，基板的大小应充分考虑散热器的瞬态热阻，具体情况具体设计。

· 对只安装一个器件在散热器的中央，散热器的长度应为截面宽度的1.5-2倍。

· 当散热器流向长度大于300mm以上，应把散热器的肋片从中间断开，以增加流体扰动，提高对流换热系数。

· 对自然对流条件下，散热器的齿间距应大于12mm，以避免热边界层相互交叉。

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写在最后

好了，今天就写到这里，明天接着介绍热设计基础知识。最近可能都会写这方面内容，谢谢！

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