电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1).ppt

Reliability Design and Analysis 电子设备热设计 热设计基本知识 热设计理论基础 热设计的方法 热分析 热试验 热设计基本知识 热对系统可靠性的影响 热设计的目的 热设计的有关概念 热控制的基本形式 热对系统可靠性的影响 高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致元器件性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。 热对系统可靠性的影响 热对系统可靠性的影响 热对系统可靠性的影响 热量产生的原因 热设计的目的 热设计的有关概念 热设计的有关概念 热设计的有关概念 热路与电路 热阻与热流量和温度的关系 内热阻的控制 外热阻的控制 热设计理论基础－传热学 传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中分别占60%，20%和20%。 导 热 流体的流动特征 对流换热的基本定律 对流换热系数 辐射换热 辐射换热的基本定律 热设计方法 热设计目标的确定 热设计目标的确定 热设计目标的确定 常用冷却方法的选择和设计要求 常用冷却方法的体积功率密度 冷却方法的选择示例 自然对流冷却设计 影响自然对流冷却的因素： 开式机箱的总换热量计算公式 机壳通风面积的计算： 对流传热系数的数值范围 2500～3500 5000－25000 水的相变换热 沸腾 蒸汽凝结 20～100 500～3500 1000～15000 强迫对流 气体 高压水蒸气 水 1～10 200～1000 自然对流 空气 水 h/[W(m2k)] 过 程 基本特征 黑体辐射力计算公式： 电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设备所处的环境条件确定热设计目标，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度，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。常见的热设计流程见图所示。 热设计流程 热设计目标通常根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来确定，已知设备的可靠性指标，依据GJB/ 299B－1998《电子设备可靠性预计手册》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。 根据可靠性预计确定热设计目标 施加在电子元器件上的电应力热应力大小直接影响电子元器件的基本失效率。 ?b =Aexp{NT/[273+T+(△T)S]}exp{[273+T+(△T)S]/TM}P 式中∶ A—失效率换算系数； NT、P—器件中的形状参数； T—工作温度(环境或壳温)，℃； △T—TM与额定功率点最高允许温度之差，℃； S—应力比或降额因子。 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。 115 100 85 最高结温℃ 0.90 0.90 0.80 输出电流 0.90 0.90 0.80 频 率 Ⅲ Ⅱ Ⅰ 降 额 等 级 降额参数 双极型数字电路降额准则 电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。 冷却方法 热流密度（W/cm2） 自然对流 0.08 强迫风冷 0.3 空气冷却板 1.6 液体对流冷却 0. 5 液体冷却板 160 蒸发冷却 770 常用冷却方法的热流密度 常用冷却方法的优选顺序：自然散热、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却 功耗为300W的电子组件，拟将其安装在一个248mm×381mm×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜进行特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？ 首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。 体积功率密度： 热流密度： 由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然对流冷却就足够了。 若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m2，因此，采用风冷时，可以把机柜表面积减小到0.1m2(自然冷却所需的表面积为0.75m2)。 冷却方法的选择示例 印制板的间距 电子元件耗散功率 自然对流换热表面传热系数 机箱表面和环境空气之间的温差 机