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把产生的热量导走

1、概述

  1)原因:电流过载,短时间内局部导电电质通过较大电流,由于导通电阻的存在消耗电功率。功率转化成热量后,不能被及时散掉,会使得温度快速升高,过高的温度会烧毁电铜皮、导线和器件本身;

  2)思路:一方面通过设备和零部件的耐高温特性提高;另外一方面加强散热,使得环境温度和过载引起的热量能全部散掉;

  3)热设计的三个基本措施:

    a) 降耗:不让热量产生;
    b) 导热:把产生的热量导走;
    c) 布局:通过措施隔离热敏感器件或热源;

  4)热设计的三个基本目标:不热、热稳定、热均衡;

  1. 热设计的基础:

  2.1 热流密度:

  散热的程度通过热流密度来评估:热流密度 = 热耗/热通道面积;

  备注:小功率器件热耗可以约等于电功率来换算,对于能量转换器件诸如电机驱动芯片,应以约等于电功率*(1- 能量转换功率的百分比)来估算

  2.2 热功率密度:

  对于密封设备或器件,则采用热功率密度来计算 热功率密度 = 热量/体积;

  根据热功率密度的不同分别采用自然冷却、导热、强迫风冷、夜冷、蒸发冷却等;

  2.3 热阻:

  在根据热流密度和热功率密度确定散热方式后,就可以定量计算散热器件的散热能力。对于散热片、风扇的散热能力,用“热阻”来表述。

  热阻是对物体阻碍热量流动的能力度量:R = T/Q T为温度差、Q为热耗;

  对于某一种具体的导热介质材料,其计算公式是:R = L/(V*S) S为传到截面积 V为导热率(例如导热绝缘胶为4.645 * 10^-3)L为传热路径长度

2.4 对流换热系数

  对流换热系数表征的是流体与固定表面间的换热能力。

  1. 自然冷却设计方法:

  1)自然冷却散热主要分为两种,一种是纯粹依赖器件自身表面进行散热,另一种是增加散热片;

  2)散热片选型主要依据是散热片的热阻;

  3)自然冷却的设计规范分为结构热设计规范和电路热设计规范两部分:

    3.1)结构热设计规范:

    a) 机座为金属导热材料时,优选选用机壳散热;
    b) 对热源附近的热敏元件采用石棉板、泡沫塑料凳进行热屏蔽;
    c) 被散热器件与散热器接触面之间接触良好,充填热膏;
    d) 控制热度应力变化,推荐温度变化率不超过1度/分钟,范围不超过20度;
    e) 发热器件在机箱上方,热敏元器件在机箱下方;
    f) 散热器或机箱可采用发黑处理,增大散热表面辐射系数;
    g) 缩短导热通路,增大导热面积;
    h) 真空环境下辐射是唯一传热方式,可增加辐射面积;
    i) 安装零件时,要考虑周围零件的辐射热;

  3.2) 电路热设计规范:

    a) 降额使用,减少温升;
    b) 系统用到的电源电压种类越少越好;
    c) 选用功耗低、热稳定性好的元器件;
    d) 易热失效元器件原理发热源,如电解电容等;
    e) 做容差分析,分析因为温度导致的参数变化;可采用相反温度特性的器件抵消影响;
    f) 利用温度敏感元器件做检测电路,辅助温度控制;
    g) 多层板结果,电源和地线在最上或最下层;
    h) 电子设备中发热主要来自阻性载流器件,如变压器、集成电路、大功率晶体管、发光器件、大功率电阻等,对这些元件,宜集中设计,并密封、隔离、接地和进行散热处理;

4、强迫风冷设计方法

  1) 强迫风冷的设计中需要关注风道、风压、风速、热阻和温度差几个关键指标;

  2) 强迫空气冷却是利用通风机或冲压,使得冷却的空气流经发热的电子设备或元器件;

  3)计算公式:

  T = 0.05 * Q /V

  T为空气进口和出口处的温度差,Q为机柜内的散热功率,V为风机的体积流量;

  V = Q / C * p * T

  V为必须提供的风量,单位是立方米每小时,Q是待冷却设备的总耗散热量,C是空气的比容热;p是空气的比重;

  4) 风机的选型:包括轴流式和离心式;

  5)设计风道时要保证比较好的通风效果,做到诸如:

    a) 避免风道界面突变;
    b) 减少风道转弯;
    c) 局部管件的连接和形成;
    d) 与风机的连接合理;
    e) 出风口的局部阻力;
    f) 进风口的局部阻力;

  6) 风冷设计规范:

    a) 不允许采用向下的热排风孔;
    b) 进风口和出风口之间的通风路径必须经过整个散热通道;
    c) 电路安装应服从空气流向 进风口 -> 放大电路 -> 逻辑电路 -> 敏感电路 -> 集成电路 -> 小功率电阻电路 -> 有发热元件电路 -> 出风口;
    d) 防止气流回流;
    e) 机壳温度不高于环境温度10C
    f) 冷却内部部件的空气进口增加过滤装置;
    g) 冷却时避免温差过大造成凝露;

5、热点制冷

  1) 热点制冷器在工作时作为一个热泵,将热量从一点传递到另外一点;

6、热测试方式

  1) 热测试方法主要分为接触和非接触两种;

  2) 热测试要求在各行各业里都有自己的标准;强制或者推荐;

  3)在样机的温度测试中,主要挑选对热失效比较敏感的器件、高功耗器件,影响到安全的器件进行热测试;

7、其他热设计方式

  1) 液体冷却:
  2) 热管导热:
  3)相变冷却:

 

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