电子散热设计讲义ppt课件.ppt
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1、,电子冷却散热设计通论,凌昕Advanced Thermal Solution(ATS)-China北京天源博通科技有限公司地址:北京海淀区复兴路65号电信实业大厦812室邮编:100036手机:13701213246电话:010-68222325传真:010-68221709,热设计的概念和基础 冷却方法的选择 风道设计的基本原则 风机的选用方法和原则 噪声测量及控制 PCB板热设计 散热器的选择 热测试的目的和方法 热仿真分析,热设计的概念和基础,1、系统的集成度越来越高2、大功耗器件的广泛使用3、系统的大容量和产品体积的小型化要求4、环境适应性要求越来越高(如户外产品越来越多),我们为什
2、么需要热设计?,(Source:US Air Force Avionics Integrity Program),图 2:电子产品失效的主要原因,55%Temperature 温度,19%Humidity 潮湿,20%Vibration振动,6%Dust 粉尘,故障率10万小时,来源:GEC研究院,来源:美国空军航空电子整体研究项目,The Primary Cause for Failure in Electronic Equipment电子设备故障的主要原因,结点温度,(“热”对电子可靠性的影响,1.约40%以上的电子产品可靠性(寿命)故障是由温度问题引起的法则:电子零件的温度每上升10度,
3、寿命减少一半。2.电子器件性能随工作温度的增加而改变(电容影响最明显),3.电子封装失效的比例直接与热成正比,而且与封装的最高温度成指数增长失效的比例可描述为:F=Ae-E/KTwhere,F=failure rate,失效率 A=constant 常数E=activation energy in electron volts(eV)激活的电能K=Boltzmanns constant(8.63e-5eV/K),andT=junction temperature in K,热设计的定义,综合利用传导、对流及辐射三种换热手段,设计发热源至环境的低热阻通路,以满足设备散热要求的过程称为热设计。,热
4、设计的目的,为了保证产品在指定的环境规格条件下正常工作并达到产品的可靠性目标,从而满足对产品各部分温升的限制性要求。热设计目标是可靠性目标的一部份。,热设计应满足设备预期工作的热环境的要求,电子设备预期工作的热环境包括:,环境温度和压力(或高度)的极限值,环境温度和压力(或高度)的变化率,太阳或周围其它物体的辐射热载荷,可利用的热沉状况(包括:种类、温度、压力和湿度等),冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降,热量传递的基本方式,热量总是自发地从高温区传向低温区或从物体高温部分传向低温部分。三种传递方式:1、传导2、对流3、辐射,传导,物体直接接触时,通过分子间动能传递进行能量交换的现象。Q-传
5、导散热量,WK-导热系数,W/mA-导体横截面积,m2t-传热路径两端温差,L-传热路径长度,mQ=K A t/L,常用材料的导热系数:铝约180、压铸铝120、铁约40、铜390(但铜的 密度是铝的3倍,重量、价格),石墨是各向异性,x方向是10,Y,Z方向可以达到600,而且重量很轻。导热系数大,内部温差就小热管是一种传热能力极高的结构,其导热系数可达10000以上,我们常常在芯片与散热器之间增加导热(绝缘)材料,是因为两个表面间凸凹不平,中间有空气,需要用导热性能好的材料填充。材料要求形状适应性好,尽可能薄、压力大(注意芯片能承受的最大压 力);常见的导热介质材料有导热胶、导热硅脂、导热
6、软硅胶垫片、导热云母片、导热相变材料等,适用场合各不相同;由于导热硅脂的填充性好,在两个比较平的表面上,热阻比其它导热绝缘材料小;目前常用导热硅脂的导热系数为0.81,但也有2、4、5,最大可达10。,对流,流体通过一固体表面时发生的流体与 固体壁面的换热现象。Q-对流散热量,W hC-换热系数,W/m2 A-有效换热面积,m2 t-换热表面与流体温差,Q=hc A t,对流换热,对流换热量与两个因素有关,表面流速与换热面积。我们使用散热片,实质上就是增加换热面积;当速度增加到一定程度后,换热量的增加就不是很明显;通常,在风机强迫冷却的情况,插箱单板间的风速可超过1m/s。,辐射,通过电磁波传
7、递热量的过程。Q=T4 Q-辐射散热量,W-散热表面辐射率,W/m2-斯蒂芬-玻尔兹曼常数,5.67108(W/m2K4)T-绝对温度,K,辐射换热,辐射换热主要要求温差大;辐射率的影响因素:材料、表面粗糙度、波长等;对户外设备,辐射率大,吸收率也大,因此要注意防辐射的措施;对于自然散热的情况,必须考虑辐射散热,这时,辐射散热是一种重要的散热方法;对于强迫冷却的设备,可以忽略辐射散热。,热阻,将热流量(功耗)模拟为电流;温差模拟为电压;热阻模拟为电阻。,冷却方法的选择,冷却方法的分类按冷却剂与被冷元件之间的配置关系a.直接冷却b.间接冷却按传热机理a.自然冷却(包括导热、自然对流和辐射换热的单
8、独作用或两种 以上换热形式的组合)b.强迫冷却(包括强迫风冷和强迫液体冷却等)c.蒸发冷却d.热电致冷e.热管传热f.其它冷却方法,冷却方法的选择,选择冷却方法时,主要考虑设备的热流密度、体 积功率密度、温升、使用环境、用户要求等。注意:1、保证所采用的冷却方法具有较高可靠性;2、冷却方法应具有良好的适应性;3、所采用的冷却方法应便于测试、维修和更换;4、所采用的冷却方法应具有良好的经济性;,自然散热,当电子设备的热流密度小于0.08w/cm2,体积功率密度不超过0.18w/cm3时,通常可采用自然对流冷却。自然对流冷却是利用空气流过物体表面时的能量交换,利用空气的密度与温度关系(热空气往上走
9、),将热量带走。在自然散热中,传导、对流、辐射都要考虑。,强迫风冷,当电子设备的热流密度超过0.08w/cm2,体积功率密度超过0.18w/cm3时,单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题,需要外加动力进行强迫空气冷却。强迫空气冷却一般是用通风机,使冷却空气流经电子元器件将热量带走。,几种降低传热热阻的方法,风道设计的基本原则,风道定义:产品不管采用自然散热,还是强迫风冷,首先必须合理地设计风道。风道是由机箱(插箱)、单板(元器件)、模块、进/出风口等组成,依靠结构设计来实现。根据散热方式的不同,风道可以分为自然散热风道和强迫散热风道,对于使用空调/换热器的户外系统,又包括内风道和外风道。,风道
10、设计的基本原则 降低系统的压力损失,力求对气流的阻力 最小;合理控制气流和分配气流;保证流过关键热源的风速;防止风道中产生空气回流;进出口尽量远离,避免风流短路;防止系统中发热部件(插箱)的相互影响。,风机的选用方法与原则,风机分类电子设备散热设计中经常用到的风机可以分为三类:轴流式风机、离心式风机和混流式风机。轴流风机:风机的进风口与出风口平行;风量大、风压小、噪音小、种类繁多、价格便宜;在通讯产品中较多的使用;离心风机:风机的进风口与出风口垂直;风量小、风压高、噪音大、价格高、供应商少;一般用于阻力较大的发热元器件或机柜的冷却;混流风机:风机的进风口与出风口平行;其性能介乎轴流风机和离心风
11、机之间,风量大、风压也大;其出风与进风有一倾斜角度,如有两个风机并联,则风量可以扩散到整个插框。,Axial Fan-air flows axially.轴流风机,Centrifugal Fan(Blower)-air flows radially.离心风机,Cross Fan-air flows across the axis.混流风机,风扇马达基本零组件,Transistor(电晶体)电流放大 Stator Coil(线圈)产生磁场 Thermistor(热敏电阻)温控调节 Stator Armature(定子)定向磁场 Hall Effect Sensor(霍尔感应元件)高低电平切换 R
12、otor Magnet(磁铁)冲磁力使马达运转,风机的选择,选择风机时应考虑的因素包括:风量、风压(静压)、效率、空气流速、系统(风道)阻力特性、应用环境条件、噪声以及体积、重量等,其中风量和风压是主要参数。根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。当要求风量大、风压低的设备,尽量采用轴流式通风机,反之,则选用离心式通风机。通风机的类型确定后,再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。,风机的特性曲线与工作点,一般风机规格上给出的特性曲线是风机在标称转速下得到的,随着转速的提高,风机的风量和风压会增大。风机的总压力是用来克服系统(或通风管道)的阻力的,并在出口处形成一定的速度头。
13、,图中、三条曲线分别代表不同系统(风道)的阻力特性曲线。系统(风道)的阻力特性曲线与风机的特性曲线交点就是这个风机的工作点。如果风机安装在系统中,其工作点就是B点,风量为qvB(m3/s),风压为pB(Pa)。,风机的串联和并联,当所选风机的风量或风压不能满足要求时,可采用串联或并联工作方式来满足要求:当风机的风量能满足要求,而风压不够时,可采用风机串联的工作方式,以提高其工作压力。当风道特性曲线比较平坦,需增大风量时,可采用并联系统。并联系统的优点是气流路径短,阻力损失小,气流分布比较均匀,但效率低,当风机串联时,其风机特性曲线发生变化:风量基本上是每台风机的风量(略有增加),而风压则为相同
14、风量下两台风机风压之和,如图(a)所示。当风机并联使用时,其风压比单个风机的风压稍有提高,而总的风量是各风机风量之和,如图(b)所示。,风机的其他问题,风机的寿命:通常风机资料上给出的寿命是在一定温度下的L10(通常是40度),通常为50000小时左右,风机的寿命与其工作温度有很大的关系,如果温度每升高10度,寿命会下降一半;风机的失效:风机失效的两个常用判据:风机的风量小于实际风量的30%(通常根据转速);风机的噪音突然增大;风机的噪音:与其转速关系最大,调速是降低噪的有效途径。,抽风与吹风,首先,风机的特点是:进风口流速较均匀,无流动死区,而出风口流体向外发散的角度约45,四周流速大,中间
15、流速小,还存在死区;其次,没有绝对的抽风好还是吹风好,需要根据具体的情况确定。吹风的优点是,出风口直接对准被冷却部分,风量集中,风压大,适用于热量分布不均匀,需要对专门区域进行集中冷却的情况;系统中为正压,灰尘等不易进入。缺点是风速不均匀,存在死区(低速区),根据进风的不同,还可能存在局部回流区;进风流经风扇后,温度会有所升高。而抽风不存在死区,风速较均匀,能较均匀地流过被冷却表面,适用于阻力大的系统;不利的是系统中为负压,在恶劣环境中灰尘易进入,风扇所处的环境温度较高,影响寿命。,噪声的测量与控制,噪声声音的本质是波动人耳可感觉的声波范围是20Hz20000Hz人体听觉对声音信号强弱刺激反应
16、不是线性的,而是成对数比例关系一切无规律的或随机的声音,或是一切不希望存在的干扰声都是噪声声压由声波引起的大气压力变化的部分,通常记作p,单位是帕(Pa)声压级 Lp:声压级(dB)p:声压(Pa)p0:基准声压,,声功率 单位时间内给定声源所产生的平均声能量,单 位是瓦(W)声功率级 Lw:声功率级(dB)W:声功率(W)W0:基准声功率,210-12W,声级的合成运算,绝大多数情况下的噪声,声源之间互不相干。声能量(声功率)可以代数相加,声压不能直接代数相加,声压的平方可以代数相加 LT:总声级 Ln:第n个声源所产生的声级 如LP1=LP2,即两个声源的声压级相等,则总声 压级:,声压级
17、与声功率级的比较,声压级 表示声场中某一点的强度 随距离衰减 在实验室测量到的声压级与现场测量到的声压级是不同的 可以用声级计直接测量得到 单位:dB(A)声功率级 表示声源的辐射强度,衡量声源发声能力 与声源的安装位置和安装环境无关 声功率级有利于不同厂家的产品的比较 无法直接测量,必须通过测量声压级或声强级后计算得到 单位:Bels(10dB),计权网络 为了能用仪器直接反映人的主观响度感觉的评价量,在噪声测量仪器声级计中设计了一种特殊滤波器,即计权网络。通过计权网络测得的声压级,已不再是客观物量的声压级,而是计权声压级或计权声级,简称声级。通用的计权声级有A、B、C、D、F 在实际应用中
18、发现,无论是强或弱的噪声,A计权声级都能较好地反映人对噪声吵闹的主观感觉。因此目前基本上都采用A声级来作为噪声评价标准。,常见环境噪声,常见的噪音标准,ISO 7779-1999Acoustics-Measurement of airbornenoise emitted by information technology andtelecommunications equipment(声学.信息技术设备和通信设备空气噪声的测量)T1.TR.54-1997Recommended Methods for MeasuringAcoustic Noise Emmission美国电信标准(T1):测量声
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