电子产品热设计与工程案例

1、Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想电子产品热设计与工程案例分析Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想第一部分 热设计的理论基础Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想第一部分 热设计的理论基础1.1、准确认识热设计1.2、热源与热阻

2、1.3、热量传递的基本方式与有关定律1.4、热控制方法的选择Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.1 准确认识热设计模块功率逐年增长趋势芯片级的热流密度高达 300 Wcm2数量级，甚 至已经达到1000 W cm2数量级 其结温要求低于100C太阳表面热流密度10000 Wcm2数量级 其表面温度可达6000C一、电子装备面临的热设计挑战Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s

3、 | 让 光 引 领 梦 想1.1 准确认识热设计图 电子产品失效的主要原因 来源：美国空军航空电子整体研究项目过热问题被确认为电子设备结构设计所面临的三大问题之一（强度与振动、散热、电磁兼容）Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.1 准确认识热设计（1）热设计目标、内容与工具 热设计的目标热设计目标应首先根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来确定，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度。已知设备的可靠性指标，依据GJB/ 299B1998电子设备可靠性预计手

4、册中元器件失效率与工作温度之间的关系，可以计算出元器件允许的最高工作温度，此温度即为热设计目标。工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。2、热设计内容与学习方法、设计过程Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.1 准确认识热设计 热设计内容定义1“根据热设计目标及设备的结构、体积、重量等要求进行热设计，主要包括冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板散热结构的设计和机箱散热结构的设计。定义2为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好

5、的热环境及低热阻散热通道，保证他们能按预定的参数正常、可靠地工作。”定义3利用热传递特性，针对耗热对象，采用合适的结构设计和冷却技术，对其温升进行控制，保证其正常、可靠工作。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.1 准确认识热设计 热设计分科界定（1）热设计（热结构）在所处环境下，合理设计热传递结构、冷却方法，保障设备内所有元器件不超过最高允许温度。（2）热分析（热模拟）利用数理模型，或通过计算机模拟，在设计阶段获得温度分布，预先发现产品的热缺陷，从而改进其设计。（3）

6、热评估评估热设计是否合理的方法和手段。（4）热试验将设备置于实际（或模拟）热环境中，测量其温度或温度分布Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.1 准确认识热设计 热设计理论工具热量传递的基本理论、经验公式结构设计经验方法计算流体力学和计算传热学（CFD）热测试仪器和手段 可参考的国内书籍 邱成悌、赵惇殳 电子设备结构设计原理，东南大学 余建祖，电子设备热设计及分析技术，北航出版社 王健石，电子设备热设计速查手册，电子工业出版社 刘静，液体金属导热材料 Accelink

7、Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想（2）热设计的实施过程Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.2 热源与热阻电子设备工作过程中可能的三种热量来源 自身功率功率元件耗散的热量 设备工作环境通过导热、对流、辐射形式，与电子设备进行热量传递 自身与环境作用设备与大气相对运动，摩擦增温热量去处：热沉（环境）n热设计原则：热源至最终热沉之间的总热阻最小热设计原则：热源至最终

8、热沉之间的总热阻最小解决热阻的办法，两方面入手： 控制电子元器件的内热阻 控制电子元器件或整机设备的外热阻。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.2 热源与热阻n热阻定义：热阻定义： (K/W)tTRQ外热阻的控制方式：（1）散热利用空气或液体作为冷却介质，靠自然对流或强制对流方式，带走耗热。（2）制冷利用热电冷却、固体升华过程吸热、液氮蒸发过程吸热等方式进行制冷，使设备工作环境温度低于周围环境温度。（3）恒温利用相变材料的吸、放热过程，可变导热管的控温特性以及热电效应

9、，使设备工作温度严格恒定在某一温度值，保证其工作的稳定性。（4）热管传热利用热管高效传热的特性，解决大温差环境条件下温度的均衡，密闭机箱内热量的传递，减少温差对设备的危害。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.3 热量传递的基本方式和有关定律一、热量传递的三种基本方式：一、热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射导热、对流、辐射二、导热（热传导）二、导热（热传导）傅立叶导热定律：傅立叶导热定律： WTQAx 定义热流密度：定义热流密度：2 W/mQqA 对傅立叶定律在一

10、维导热条件下积分，可得：对傅立叶定律在一维导热条件下积分，可得：tTQR 由此可得由此可得导热热阻导热热阻计算公式为：计算公式为： K/WtRA A为垂直于热流方向的截面积；为垂直于热流方向的截面积；为材料的导热系数，单位为材料的导热系数，单位W/(mK)，它是表征，它是表征材料导热能力优劣的物性参数。材料导热能力优劣的物性参数。导热问题的热电比拟关系：导热问题的热电比拟关系：t TI R R UQ电位差温差电流导热量电阻热阻Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想Accel

11、ink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想三、对流换热三、对流换热自然对流流动产生的原因强迫对流层流流动性质湍流牛顿冷却公式：牛顿冷却公式：QA T由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：1tRA 基本概念及计算式基本概念及计算式通过量纲分析法，可得对流换热的两个准则方程通过量纲分析法，可得对流换热的两个准则方程自然对流自然对流()nNuc GrPr强迫对流强迫对流mnNucRe Pr 其中其中为对流换热系数，单位为对流换热系数，单位W/(m2K)，表

12、征了换热表面的平均对流，表征了换热表面的平均对流换热能力。换热能力。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想几个准则数的计算公式及物理意义：几个准则数的计算公式及物理意义：努塞尔数：努塞尔数：LNu对流换热导热雷诺数：雷诺数：uLRe惯性力粘性力普朗特数：普朗特数：pcPr动量扩散热量扩散格拉晓夫数：格拉晓夫数：32VLg TGr浮升力粘性力 L 特征尺寸，m； u 流体速度，m/s； cp 比热容，kJ/(kgK)； 动力粘度，Pas； 导热系数，W/(mK)； V 体膨胀

13、系数，1； g 重力加速度，m/s2； T流体与壁面的温差。用准则方程求出用准则方程求出Nu后，即可求出对流换热系数：后，即可求出对流换热系数：NuLAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想四、辐射换热四、辐射换热40AT 式中：式中： 物体的表面黑度（表面辐射率）；物体的表面黑度（表面辐射率）； 0 斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2K4)； A 辐射表面积，辐射表面积，m2； T 物体表面的热力学温度，物体表面的热力学温度，K。 减小辐射

14、热阻的措施减小辐射热阻的措施1. 表面辐射率要高；表面辐射率要高； 2. 辐射体与吸收体之间要无障碍；辐射体与吸收体之间要无障碍；3. 辐射面积要大。辐射面积要大。 辐射能以电磁波的形式传递辐射能以电磁波的形式传递 任意物体的辐射力可以用下式计算：任意物体的辐射力可以用下式计算：Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想专题 热阻分析法热阻分析法( (热电模拟热电模拟) )一、热电模拟方法一、热电模拟方法 将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻

15、，热将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导；对于瞬态传热问题，可以把热容（导模拟为电导；对于瞬态传热问题，可以把热容（c cp pq qm m）模拟为电容。这种模拟方法适用于）模拟为电容。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热。各种传热形式，尤其是导热。二、热电模拟网络二、热电模拟网络 利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。恒利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效定的热流源等效为

16、理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效于于“接地接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。三、传热路径三、传热路径 从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。 热流量经传热路径至最终的部位，通称为热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉热沉”，

17、它的温度不随传递到它的热量大小而变，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的环境。的环境。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想四、热阻的确定四、热阻的确定确定热阻的步骤确定热阻的步骤a. 根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高允许温度根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高允许温度b. 确定设备

18、或冷却剂的最高环境温度确定设备或冷却剂的最高环境温度c. 根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升d. 确定每个元器件冷却时所需的热阻确定每个元器件冷却时所需的热阻 热阻的计算热阻的计算a. 导热热阻和对流热阻的计算式参见导热热阻和对流热阻的计算式参见前面内容前面内容b. 辐射换热网络法辐射换热网络法任意两表面间的辐射网络如下图所示：任意两表面间的辐射网络如下图所示： 图中图中Eb1和和Eb2分别代表同温度下的表面分别代表同温度下的表面1和表面和表面2的黑体辐射力；的黑体辐射力；J1和和J2分别为表面分别为表面1和和表面表面2的有效辐射。的有效辐射。

19、Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想应用例：芯片封装热阻的电网络模拟 从晶片传到外壳经过5个环节晶片的热阻；晶片粘接剂（导热胶）热阻 基底(substrate)的热阻基底粘接剂（焊锡）热阻封装(package)的热阻Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1.4 热控制方法的选择热控制方法的选择冷却方法可以根据热流密度和冷却方法可以根据热流密度和温升要求

20、，按右图关系进行选温升要求，按右图关系进行选择。这种方法择。这种方法适用于温升要求适用于温升要求不同的各类设备的冷却不同的各类设备的冷却 由右图可知，当元件表面与环境之由右图可知，当元件表面与环境之间的允许温差间的允许温差T为为60时，空气时，空气的自然对流（包括辐射）仅对热流的自然对流（包括辐射）仅对热流密度低于密度低于0.05W/cm2时有效。时有效。 强迫风冷可使表面对流换热系数强迫风冷可使表面对流换热系数大约提高一个数量级，如在允许大约提高一个数量级，如在允许温差为温差为100时，风冷最大可能时，风冷最大可能提供提供1W/cm2 的传热能力。的传热能力。Accelink Technol

21、ogies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想第二部分 以空气为介质的冷却Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2.1、空冷首先应当重视对流2.2、空冷中的传导2.3、风冷中的风道设计与风机选用Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2.1、空冷首先应当重视对流一、空冷对流设

22、计一般原则1）器件、印制板的排布原则风冷l 将耐热性能好的放在冷却气流的下游，耐热性能差的应放在冷却气流的上游。l 发热区的中心线，应与入风口的中心线相一致或略低于入风口的中心线，这样可以使电子机箱受热而上升的热空气由冷却空气迅速带走。l 当风冷系统的冷却气流经多块印制板组件时，印制板的间距应控制在13mm左右l 器件尽量交错方式排列，以增强紊流。必要时可在空位增设紊流器。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想自冷l 温度分区（与风冷同）按耐热程度分区：耐热性差的放气流上游

23、，耐热性好的电子元器件放在下游。按发热量分区：如把大规模集成电路放在冷却气流的上游处，小规模集成电路放在下游，以使印制板上元器件的温升趋于均匀。l 自冷印制板的间距应控制在不小于19mm，电路板上电子元件安装高度相差比较大时，应保证最高元件与屏蔽盒内壁之间的间隙不小于23mm，否则将影响盒子中部的自然对流。l 有利紊流电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性及有利于提高气流的紊流程度。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2）热设计的检查自然冷却l 是否使用最短的热流通路？

24、l 是否利用金属作为导热通路？l 电子元器件是否采用垂直安装和交错排列？l 对热敏感的元器件是否与热源隔离，当二者距离小于50mm时，是否采用热屏蔽罩？l 对于发热功率大于0.5W的元器件，是否装在金属底座上或与散热器之间设置良好的导热通路？l 热源表面的黑度是否足够大？l 是否有供通风的百叶窗口？l 对于密闭式热源，是否提供良好的导热通路？Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想强迫空气冷却l 流向发热元器件的空气是否经过冷却过滤？l 是否利用顺流气流来对发热元器件进行冷却

25、？l 气流通道大小是否适当？是否畅通无阻？l 风机的容量是否适当？抽风机或鼓风机是否选择恰当？l 风机电动机是否得到冷却？对风机故障是否采用防护措施？l 空气过滤器是否适当？是否易于清洗和更换？l 是否已对设备或系统中的气流分布进行过测量？l 关键的功率器件是否有适当的气流流过？l 是否测量过功率器件的临界温度？l 是否测量过风机的噪声？l 易损坏的散热片是否有保护措施？l 在机载电子设备中，是否具有防水措施？Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想1）自冷合理开设通风孔通风

26、孔散热的热量计算公式：H 自然冷却设备的高度（或进、出风孔的中心距）（cm）;A0 进风孔或出风孔的面积（取较小值）（cm2）设备内部空气温度t2与外部空气温度t1之差（）。二、尽量增大对流效果5 . 105-t104 . 7HA12ttt Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想开设通风孔的基本原则：l 开设通风孔要有利于形成有效的自然对流通道l进风孔与出风孔要远离，并且要防止气流短路，应开在温度差较大的相应位置，进风孔尽量低，出风孔要尽量高l进风孔对准关键元件l进出风孔要

27、兼顾电磁屏蔽、防尘Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2）自冷电子机箱外自冷的热计算公式自然对流换热计算方法1自然对流换热的准则方程hc自然对流换热系数（W/(m2.)）k冷却流体的导热系数（W/(m.)）D特征尺寸(按下表取)（m）C，n由下表确定的系数（无量纲）Gr格拉晓夫数（无量纲）Pr普朗特数（无量纲）ncGrCDkPr)(hAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让

28、 光 引 领 梦 想Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想自然对流换热计算方法2物理参数简化方程式中，热流密度（W/m2） 热流量（W） A换热面积（m2） C,D系数C，n和特征尺寸D由上表确定； t换热表面与空气的温差（）该公式的使用条件：任意方向的几何尺寸小于600mm（电子元器件、小电子设备）空气物性参数20200，变化6%内（以控制误差）)/(5 . 2225. 025. 1mWDtCAAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h

29、t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想自然对流换热计算方法3列线图步骤：根据设备、器件的形状、尺寸及位置，求得C和D值（上表中的层流项）通过列线图中的C和D标尺，在无刻度的X标尺上得到一个交点；再连接X上的交点和t标尺上的t值点，在/A标尺上得到/A值，反之，若已知和A值，也可以求得t值。举例:一个电子设备处于环境温度为35的空气中，其表面温度为85，设备机箱外壳尺寸为：长200mm，宽200mm，高300mm，计算该机箱顶部表面仅靠自然对流能散掉多少热量？根据前表确定C值，热面朝上的散热平面，C=0.54;t=85-35=50；连接右图中D标尺上的

30、0.2m和C标尺上的0.54在X标尺上得交点X0;连接X0与t尺上的50点，在/A标尺上得交点为270，即)/(270/2mWA 计算顶面散热量）（WA8 .102 . 02 . 0270Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2.2、空冷中的传导1、导热热阻（传导热阻） K/WtRA1. 缩短路径缩短路径 2. 增大面积增大面积 3. 提高导热系数提高导热系数减小导热热阻的方法减小导热热阻的方法式中：式中： 平壁厚度，平壁厚度，m； 导热系数，导热系数， W/mk ； A

31、垂直于热流方向的横截面面积垂直于热流方向的横截面面积，m2 ；Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2、接触热阻 在多层壁导热计算时，都是假设层与层之间完全紧密接触的理想情况，实际上，接触表面是不可能绝对平整和光滑的，因此，两表面的接触点发生在一些离散的接触面上。这样在接触面处将出现温差，这是由于在接触界面处产生了一个附加的热阻，叫接触热阻 接触界面的热阻由局部接触面上的导热热阻 和间隙中的介质导热热阻 组成 假设两接触面的近似接触面积Aa由两接触材料之间的实际接触面积Ac

32、和没有接触的间隙面积Av所组成， 若有效非接触空间的厚度为，两接触表面的不规则高度为/2,则通过接触界面的热流量由两部分组成)()(t22121212121ttAKttAkkkAkktacvvfvC）（tsRtdRt1,t2表面1和表面2接触界面的温度k1,k2表面1和表面2材料的导热系数kf间隙中介质的导热系数kc接触传热系数Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律；接触表面的几何形状(波纹度和粗糙度)；非接触间隙的平均厚度；间隙中

33、介质的种类（真空、液体、气体）；接触表面的硬度；接触表面之间的压力大小，接触界面表面的氧化程度和清洁度；接触材料的导热系数。影响接触热阻的主要因素影响接触热阻的主要因素:表面粗糙度和接触压力对接触热阻的影响Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想3、收缩热阻热收缩效应在一个恒热源下的导热介质的温度要高于其他部位的温度，其温度为t0热量全部扩散到整个导热介质表面上的温度； 收缩效应温升，只取决于材料传导系数与几何参数ct收缩热阻求法： 先求 按照”热欧姆定律公式”得收缩热阻离散

34、热源的收缩效应cjttt0ctAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想热收缩效应温升公式无限大的导热介质上的圆形热源，介质导热系数为k，热源半径为r1有限大的导热介质(半径为r2的圆柱)上的圆形热源（半径为r1）不同热源及不同形状的导热介质，其t有不同的计算公式Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想长窄条热源在有限导热介质上：短而窄的热源在有效导热介质上：

35、其中Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想热收缩效应实际应用芯片组件金属导热模块Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想从芯片结到外壳（散热器）的传热例：在一块15.24X20.32铝基板上，有四块1.27X1.27mm的半导体芯片结合到基板，芯片A为3.24W，芯片B为2.81W,芯片C为2.52W，芯片D为3.03W，对称布置，各部分厚度如下图b，可伐

36、盖加在铝散热器上，并保持55，芯片A的功耗最大，所以主要分析芯片A的温度Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想 所用材料的导热系数为： 半导体芯片的热源直径为0.889mm 虽然铝基板与可伐盖组件有3.556mm的空气隙，这里的分析仍不考虑空气隙的导热、对流和辐射影响。 分析前做如下简化假设： 忽略空气隙的导热和辐射； 用铝基板面积作为计算准则，即不考虑柯伐盖板比铝基板面积稍大的问题，也不考虑热量传向铝散热器时在柯伐盖上的扩散 考虑铝基板及柯伐载体和厚膜的横向导热。这种“热

37、扩散”类似于上述的收缩效应。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想具有收缩效应的等效热路图如右图。各层的导热热阻可用下式计算kARt由右边项，可以计算铝基板的表面温度t1)(55t1SGKOEFALRRRR其中是芯片A、B、C、D的功耗，当=11.6W时，t1=62.2。此温度就是迫使热量从四个芯片流经图中所示的热阻，传向55的散热器的驱动力。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s

38、 | 让 光 引 领 梦 想 现分析芯片A，芯片A下面的实际温度为t2,它是克服热量从芯片A传至基板的收缩作用的驱动力，该收缩作用所产生的热阻为Rca 若 ，则 计算12tttc24. 3tc1tRcCAct芯片A的表面温度3 .10624. 3)108. 10003. 0(7 .102)(123CHSVRRttAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2.3、风冷中的风道设计与风机选用（一）风道设计风冷的潜力在于风道1、风道的基本设计原则l 为降低阻力损失尽量短；避免急弯；避

39、免骤然扩展/收缩；内表面尽量光滑l 为提高空气输送能力截面尽量接近正方形；矩形长宽比不得大于6/1l 为密封所有搭接台阶都应顺着流动方向l 进风口结构应降低阻力，且要起到滤尘作用Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想风道的入口应避免速度剧变尽力减小箱体对空气的流动阻力：例如减少不必要的尖角、弯头、突扩或突缩；不使局部地区流速过高（大于7m/s）或流速过低（会使传热恶化，尘埃沉积。）a、因风道伸出而产生的湍流使空气入口的压力损失增大；b、空气入口处的斜边使压力损失减小Acce

40、link Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2、机箱级风道（主要潜力） 具有平行风道的冷却系统，要求气流进入机箱后，形成高的静压和低的动压，以便提高冷却效果，降低出口和弯曲处的压力损失。 如果机箱比较长，功耗较大，而风道截面不增加，则必须增加冷却空气的气流。 右图结构，上下风道的截面不变而且相等时，流体流至下风道叉口处膨胀，使压力上升，而且可能使下风口叉口处的压力大于上风道叉口处的压力，将导致气流回流。有可能出现下风道叉口处的压力大于上风道出口处压力与支管阻力损失之和而产生回流现象风道结

41、构形式不好Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想 为防止气流回流，进风道截面积应大于各分支风道截面积总和 采用锥形风道结构形式，可以使风道中任意一点的截面积大于支风道的截面积Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想专项 典型风道自然散热机箱典型风道风道一. 1/2U机箱平放自然散热风道，机箱出风口在机箱顶部，模块或板卡自然散热冷却，如果机箱顶部有其他设备，

42、需要与风道隔离，避免热空气对机箱的影响；另外，除进、出风口外，其他部分需要完全密封。风道二. 1/2U机箱平放自然散热风道,机箱进出风口都在机箱两侧，内部流场混乱，不利自然散热烟囱效应，适合较小热功率设备机箱；模块或者插卡自然冷却、必须为平放，机箱两侧尽量远离高功率发热器设备，另外，除进、出风口外，其他部分需要完全密封。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想风道三，5U以上高度自然散热机箱，机箱出风口在机箱顶部，模块或板卡自然散热冷却，模块或插卡必须为上下风道。Acceli

43、nk Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想强迫风冷散热机箱典型风道风道一，鼓风风道，1/2U插卡平放机箱，机箱采用侧进出风，机箱风扇正吹插卡，靠近风扇的区域换热效果最佳，由于风道必然存在漏风，而且右端区域风速相对较低，换热弱；同时机箱内为正压，灰尘不会从缝隙进入机箱。风道二，抽风风道，1/2U插卡平放机箱，机箱采用侧进出风，机箱左侧进风，流场分布均匀，各区域换热强度相差不大，机箱内为负压，灰尘将通过缝隙进入机箱。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h

44、t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想风道三，典型的机箱通风风道，采用风扇抽风，进风口在机箱下方，国外和主流厂商都采用这种风道，但对风扇的要求采用高风量，高风压，低噪声。风道四，典型的机箱通风风道，鼓风的换热强度比抽风时高，但送风不均匀，在风扇中心和风扇之间都存在回流死区，注意死区的存在对散热的影响，将发热芯片布置在气流集中的地方；将风扇与单板保持50mm的距离，可使得流场均匀，但将增加高度空间，另外，风扇的进风口距离底板较近，会产生较大噪声，进风受障碍，所以尽量增加距离。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h

45、t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想风道五，采用离心风扇抽风，向后排出，进风口在机箱前下方，该风道对离心风扇的性能要求高，需要采用风量大，风压大，噪声小。风道六，风道六中如果没有合适的离心风扇可选，可以采用轴流风扇竖放代替，但风扇模块将占用较大空间高度；如果机箱高度有限制，可将风扇平放，但风扇出风口上方还是得留一定出风空间，至少40mm。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想通风机可分为离心式（下图通风机可分为离心式（下图(a)

46、(a)）和轴流式下图）和轴流式下图(b)(b)两类。两类。风机（二）、风机的选用及其配合结构Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想 轴流式风机的特点是风量大、风压小。根据其结构形式可分为螺旋桨式、圆筒轴流式风机的特点是风量大、风压小。根据其结构形式可分为螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种。其中螺旋桨式压力最小，一般用于空气循环装置。圆筒式和导式和导叶式三种。其中螺旋桨式压力最小，一般用于空气循环装置。圆筒式和导叶式用于中、低系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。叶式用

47、于中、低系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。 离心式风机的特点是风压较高，一般用于阻力较大发热元器件或机柜离心式风机的特点是风压较高，一般用于阻力较大发热元器件或机柜的冷却。的冷却。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想(1)通风机的特性曲线通风机在固定转速下工作时，其压力、效率、功率随风量（横坐标）变化的关系 不与风道连接时，静压为零，风量最大； 出口被堵住时，风量为零，静压最高； 中间一点效率最高，应在其附近工作。 前弯式离心机效率最高时，总压力最大。1、

48、风机的风道匹配选用法前弯式通风机特性Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想离心式风机的特性曲线从下图，后弯式效率最高，前弯式最低，但前弯式压力高，风量大，其缺点是功率曲线上升陡峭，当压力减低时，风量增大，而功率随之不断增加，易过载。而后弯式功率曲线平坦，达到最大值后，随风量的增加，功率反而减小，不易过载。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想轴流式风机的

49、特性曲线其特点是风压曲线很陡斜，所以当通风系统的风阻较大时，若使用轴流风机，风量就很小，如图a，一旦风量为零，功率达到最大，如图c.Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想（2）风道特性曲线由此可见，所需的压降、总压力均与风量的平方成正比，即将上述关系式用曲线表示，即风道的特性曲线，图中1,2,3三条曲线分别代表三个风道的特性曲线。风机的总压力用来克服通风管道的阻力，并在出口处造成一定的速度头，即Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t

50、 i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想风机风道参数匹配设计通风机工作点风道特性曲线与通风机特性曲线的交点。设计思路;1、额定风量由换热计算得出2、风道特性曲线通过计算或查手册得出3、风机特性曲线（即选风机）与风道特性曲线交点匹配选择，要达到（1）交点满足额定风量（2）额定风量尽可能达到效率最高(对应总压最大)Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2、风机与风道间的结构关系（1）引风段位置关系进风要有引风段。叶片不同位置的速度分布叶片

51、应安装在通风道的下游，这时风道较长，气流速度分布可以得到改善。如风道90的弯曲处，叶片应装在气流的下游，如果安装在气流的上游，在出口处容易形成涡流，而影响通风冷却的效果。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想（2）整机抽风冷却和鼓风冷却抽风冷却特点风量均匀，风压小，负压，难以控制灰尘；不计风机功耗。常用在机柜中各单元热量分布比较均匀、和元件所需冷却表面的风阻较小的情况鼓风冷却特点风量集中，风压大；正压；有利于清除尘埃与脏物，增加气流的扰动，但使气流进口温度提高。通常用在单元

52、内热量分布不均匀，各单元需要专门风道冷却，风阻较大，元件较多情况下。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想（3）降低漏风当有缝隙存在时，抽风形式的冷却效果比鼓风形式好。大型机柜在强迫通风时，机柜缝隙的漏风将直接影响散热效果机柜四周密封不漏风时，风机的位置对通风效果没有影响，沿机柜高度方向任意一个发热区断面，风量基本相同，图a机柜四侧存在缝隙，当通风机安装在出口处抽风时，外界空气从缝隙进入机柜，风量从入口到出口是逐渐增加的，图b 当通风机装在入口处鼓风时，机柜内静压较高，气流

53、将从缝隙漏出，风量沿机柜方向逐渐减少，图c 采用串联通风形式，机柜内部气压分为正压区和负压区两部分，既有气流从缝隙流入，也有从缝隙流出，沿机柜高度方向风量分布如图dAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想3.风机之间的关系流量：Q=Q1=Q2静压：P=P1+P2流量：Q=Q1+Q2静压：P=P1=P2Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想第三部分 热设计案

54、例Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想第三部分 热设计案例一、微纳卫星热控系统设计及仿真二、某3G移动基站的热仿真及优化三、户外通信电源的热分析四、ZTE EDFA模块热分析Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想案例一 某型微纳卫星热控系统设计 微纳卫星：质量小于10kg，具有实际使用功能的卫星。即将在9月15日20日发射的天宫二号，其携带的一颗伴随卫

55、星就是一颗微纳卫星。 卫星主要有载荷仓、模块盒、太阳电池帆板等部分组成，载荷仓内包含有微惯性组合、电池组、储箱、相机等组件，具有对地成像、信息传输功能。 卫星运行在高真空太空环境，热传导主要通过传导和辐射进行。 卫星热控设计的目的是通过合理的热设计方法和热控制手段，提供卫星有效载荷和卫星平台各分系统仪器设备正常工作所需的环境温度，同时保证卫星表面所有设备工作在所需的温度范围。 遵循的原则：采用成熟的热控技术和实施工艺，遵循各项热控规范和标准，力求简单、可靠；整星热设计本着被动热控方式为主，在被动热控方式不能满足要求时，再考虑电加热补偿的主动热控手段，力求实现最佳热耦合机制；星内一般一起设备的温

56、度范围设计余量为10。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想热控措施：综合考虑卫星结构、温度要求以及所处的空间环境，采取如下热控措施： 载荷舱内除推进系统采取特殊的热控制措施外，其他载荷外表面进行发黑处理，表面黑度0.8； 模块和载荷舱身内表面0.5； 模块盒内各电路板与其安装面之间填充导热材料或导热脂； 位于星外的磁强计、GPS天线等的外表面喷涂有机灰漆或有机黑漆，/=0.85/0.8Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n

57、 g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想 软件IDEAS TMG建立卫星整体有限元模型及载荷舱的有限元模块如下图 空间背景为 4K 冷黑空间，并输入轨道、姿态等参数(太阳同步圆轨道、高度取 550km、倾角取 95、降交点地方时取 11:00等)，三轴稳定姿态时，+Z 轴指向地心、+X 指向飞行方向。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想稳态情况下，卫星各部分温度如下表所示Accelink Technologies Co., Ltd.L i

58、g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想下图分别是卫星整体、载荷舱、太阳电池帆板、顶板及磁强计与 GPS 天线的温度分布云图仿真结果可以看出，所采取的热设计方案满足了卫星总体提出的要求，舱内一般仪器设备的温度为-10+45，舱外仪器设备温度为-80+80Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想案例二：某3G移动基站的热仿真及优化1、实际模型、实际模型a、方案一（顶部抽风方案） 该移动基站采用标准19英寸机柜，共有20个PCB插

59、板板位。 该方案结构示意图如右图所示。机柜总高度10U。其中插板区高度为7U,底部进风口高度为1U，顶部出风口高度为2U。采用EBM公司的离心式风机两个，安放在机柜顶部。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想b、方案二（底部吹风方案）、方案二（底部吹风方案） 该方案结构示意图如右图所示。机柜总高度10U。其中底部进风口高度为2U，顶部出风口高度为1U。采用EBM公司的轴流式风机六个，安放在机柜底部。c、方案三（轴流风机顶部抽风方案）、方案三（轴流风机顶部抽风方案） 该方案结

60、构示意图如右图所示。其中顶部出风口高度为2U，底部进风口高度为1U。其它尺寸同方案二采用EBM公司的轴流式风机六个，安放在机柜顶部。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想2、仿真结果、仿真结果a、方案一数值分析结果、方案一数值分析结果Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 让 光 引 领 梦 想b、方案二数值分析结果、方案二数值分析结果c、方案三数值分析结果、方案三数值分析结果