机构部热设计培训讲义-ltg课件.ppt

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1、机构部热设计培训讲义RockieLu2010-06-08主要内容引言热设计流程热设计理论风道和开孔设计噪音测试绝缘材料为什么要进行热设计热设计与结构设计的关联性引言体积缩小，功率增加，热流密度急剧上升热设计是器件、设备和系统可靠性设计的一项主要内容散热问题是制约设备小型化的关键问题电子设备55%的失效是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长为什么要进行热设计互相影响结构布局影响机器散热散热效果决定材料/元件的工作温度，影响结构的稳定性和可靠性矛盾统一关注点不同会产生不同的设计要求，如开孔要求可能影响材料强度或不能

2、使各元器件达到最佳摆放位置两者需要互相妥协和优化，达到最佳平衡。同步进行在系统级设计中，两者基本同步进行盲目优先和不顾及对方的设计最终可能使自己的设计要推倒重来，得不偿失。热设计与结构设计的关联性热设计工程师与其他RD工程师之间的互动热设计工程师电气工程师机构工程师Layout工程师电气工程师机构工程师Layout工程师元件功耗降低元件功耗建议修改进出通风口尺寸与风扇大小的建议修改PCB板布局建议完成热设计，给出调整方案PCB上布局结构布局CFD模拟实验确认理论分析热设计流程●理论分析分析可行性、可靠性、成本评估……散热技术、冷却空气流量

3、、散热面积、等宏观参数结构尺寸元件损耗规格书layout选风扇开孔设计结构布局layout●CFD模拟●实验确认分析模型●理论分析●CFD模拟●实验确认●理论分析●CFD模拟●实验确认散热片、风扇、风道、结构、散热方式调整依据温升测试结果，判定产品是否合格改善温升状况更换电气元件降低损耗●理论分析●CFD模拟●实验确认●散热改善降低损耗提高冷却风流量降低元件与散热片之间接触热阻增加或优化开孔。。。优化散热片减少空气回流与无风区优化风道纸改善风道降低系统风阻散热改善热设计理论基础热源与热阻传热的三种方式热阻计算电子设备工作过程中可能的三种热

4、量来源①功率元件耗散的热量：电能→热能②周围环境传递给设备的热量③大气中高速运动的设备由摩擦引起的增温热阻定义：热设计原则：使热源至最终热沉之间的总热阻最小总热阻构成：内热阻＋外热阻热设计目标：将热量导出系统，控制元器件温度热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射一、导热（热传导）傅立叶导热定律：A为垂直于热流方向的截面积；λ为材料的导热系数，有时候也用k表示,单位W/(m·K)，它是表征材料导热能力优劣的物性参数。定义热流密度：对于平板的导热热阻：二、对流换热牛顿冷却公式：其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均

5、对流换热能力，有时也用h表示。α与表面流速的0.5~0.8次幂成正比。由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：⑴基本概念及计算式三、辐射换热热辐射的研究波长范围在0.1μm～100μm之间，且大部分电子设备的辐射能量集中在红外波段。热辐射主要取决于表面温度。黑体的辐射力（斯忒藩—玻尔兹曼定律）：实际物体的的辐射力：注：上面两个公式中的温度均为绝对温度，而非摄氏温度。黑度ε（发射率）：取决于物体温度、种类和表面状况.热阻的串联：R=R1+R2热阻的并联：1/R=1/R1+1/R2导热问题的热电比拟关系：R1ThR2TlR2ThTlR1以散热片

6、IGBT为例说明hεkTO247HSairR=(Rjc+Rcs+Rs)+(Rsa//Rε)diecaseHSairairRjcRcsRsaRεHSRs假设途中每种热阻值都=2°C/W,IGBT损耗=10W,空气温度=40°C，请计算IGBT的中心（die）温度？如何减小热阻？选用低热阻元件或材料（k）扩大散热面积（h）加大风速（h)减小接触热阻（k’）接触热阻Rcs工程中常用的减小接触热阻的主要措施：⑴加大接触表面之间的压力；⑵提高两个接触面的加工精度；⑶接触表面之间加导热衬垫或导热脂导热膏等；⑷在结构强度许可的条件下，选用软的金属材料制

7、作散热器或器件的壳体。风道4设计4.1基本概念要素：压损（R）——与流速的平方成正比;单位是Pa。包括：沿程压力损失。它是由流体流经管道壁面时与壁面之间的摩擦引起，也称为静压损失。局部压力损失。它是由流体进、出口以及流经弯头、截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。流量(Q)——单位时间内通过风道某一横截面的流体体积。流量与平均流速成正比，单位是m^3/s。系统阻抗曲线(SRC)——把风道所影响的范围作为系统，则系统总压损随流量的变化而变化，二者的关系曲线为系统阻抗曲线（右图的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）系统压损=网孔压损（P=0.828*Q2/A2,

8、国际单位制）+机箱内压损（约10Pa）(TITAN机种经验)哪里有运动哪里就有阻力典型腔室结构抽风风洞前腔室静压和环境压差前后腔室压差静压-动压-全压局部压力损失表示风量与风压的关系风扇不稳定