熱設計技術規(guī)范

1、產(chǎn)品熱設計技術規(guī)范熱設計的基礎知識與規(guī)范木規(guī)范根據(jù)通信產(chǎn)品熱設計相關資料及熱實驗結果等編制而成。本規(guī)范起草單位：木規(guī)范授予解釋單位：本規(guī)范主要起草人：本規(guī)范批準人：1概述11熱設計的目的11.2熱設計的基本問題11.3熱設計應遵循的原則12熱設計的基本知識 32.1基本概念 32.2熱量傳遞的基本方式極其皋本方程式52.3增強散熱的方式63自然對流散熱73.1自然對流熱設計應考慮的問題73.2 H然對流換熱系數(shù)的計算94強迫對流散熱風扇冷卻114.1風道的設計114.2抽風與鼓風的區(qū)別164.3風扇選型設計174.4機柜/箱強迫風冷熱設計225單板元器件安全性熱分析245.1元器件溫升校核計算

2、245.2元器件的傳熱分析275.3散熱器選型參數(shù)的確定275.4散熱器選用與安裝的原則296通信產(chǎn)品熱設計步驟307附錄 327.1熱仿真軟件介紹327.2參考文獻32本文針對公司產(chǎn)品的特點，提供了熱設計的皋礎理論知識、熱設計的皋本方法與 步驟、熱設計的原則等內(nèi)容。產(chǎn)品熱設計技術規(guī)范第一章概述11熱設計的目的采用適當可靠的方法控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán) 境條件下不超過穩(wěn)泄運行要求的最島溫度，以保證產(chǎn)品正常運行的安全性，長期運行 的可靠性。12熱設計的基本問題121耗散的熱最決定了溫升，因此也決定了任一給定結構的溫度：122熱暈以導熱、對流及輻射傳遞出公，每種形式傳遞

3、的熱最與其熱阻成反比；1.2.3熱量、熱阻和溫度是熱設計中的重要參數(shù):124所有的冷卻系統(tǒng)應是最簡單乂最經(jīng)濟的，并適合丁特定的電氣和機械、環(huán)境條 件，同時滿足可靠性耍求；125熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計同時進行，當出現(xiàn)矛盾時，應進行 權衡分析，折衷解決：1.2.6熱設計中允許有較大的誤差；127熱設計應考慮的因素：包松結構與尺寸功耗產(chǎn)品的經(jīng)濟性與所耍求的元器件的失效率相應的溫度極限電路布局工作環(huán)境13遵循的原則1.3熱設計應與電氣設計、結構設計b0時進行，燮熱設計、結構設計、電氣設計相互 兼顧；1.3.2熱設計應遵循相應的國際、國內(nèi)標準、行業(yè)標準；1.3.3熱設計應滿足產(chǎn)品的可靠

4、性要求，以保證設備內(nèi)的元器件均能在設定的熱環(huán)境中 長期正常工作。1.3.4每個元器件的參數(shù)選擇及安裝位置及方式必須符合散熱要求；1.3.5在規(guī)定的使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)（如風扇等）的故障率應比元件的故障率低；1.3.6在進行熱設計時，應考慮相應的設計余最，以避免使用過程中因工況發(fā)生變化而 引起的熱耗散及流動阻力的增加。1.3.7熱設計不能盲目加大散熱余鍛，盡直使用門然對流或低轉(zhuǎn)速風扇等可靠性高的冷 卻方式。使用風扇冷卻時，要保證噪音指標符合標準要求。1.3.8熱設計應考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性指標，在保證散熱的前提下使其結構簡單、可霜且體 積最小、成本最低。1.3.9冷卻系統(tǒng)要便丁監(jiān)控與維護第4頁，共34

5、頁DKBA0.400.0037 REV. 1.0第二章熱設計基礎知識21某些基本概念2.1.1溫升指機柜內(nèi)空氣溫度或元器件溫度與環(huán)境溫度的差。如果忽略溫度變化對空氣物性 的菲線性影響，可以將一般環(huán)境溫度下(如空調(diào)房27)測暈獲得的溫升直接加上最 高可能環(huán)境溫度獲得瑕惡劣環(huán)境E的器件近似溫度。例如在空調(diào)房內(nèi)測得某器件溫升 為40C,則在55C最高環(huán)境溫度下該器件的溫度將為95Co2.1.2熱耗指元器件ie常運行時產(chǎn)生的熱量。熱耗不等同r功耗，功耗指器件的輸入功率。 一般電子元器件的效率比較低，大部分功率都轉(zhuǎn)化為熱帚:。計算元器件溫升時，應根 據(jù)其功耗和效率計算熱耗，當僅知道大致功耗時，對丁小功率

6、設備，可認為熱耗等丁 功耗，對丁-大功耗設備，可近似認為熱耗為功耗的75%o其實為給設計留一個余最， 有時克接用功耗進行計算。但注意電源模塊的效率比較薛，一般為70%95%,對于同 一個電源模塊，輸出功率越小，效率越低。2.1.3熱流密度單位面積上的傳熱最，單位W/m%2.1.4熱阻熱最在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了 1W熱量所引起的溫升大小，單位為。C/W或K/W。用熱耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路 徑上的溫升?？梢杂靡粋€簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當r電流，溫差相當丁電 壓,則熱阻相當于電阻。以下是一些單板元器件熱分析使用的重耍熱阻概念，這些熱阻參數(shù)

7、一般由元器件 生產(chǎn)廠商根據(jù)標準實驗測量提供，可在器件的用戶說明書中査出：2.1.4.1結至空氣熱阻Rja：元器件的熱源結(junction)到周用冷卻空氣(ambient)的 總熱阻，乘以其發(fā)熱最即獲得器件溫升。2.1.4.2結至殼熱MRjc：元器件的熱源結到封裝外殼間的熱阻，乘以發(fā)熱量即獲得結與 殼的溫差。2.143結至板熱阻Rjb：元器件的結與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即 獲得結與單板間的溫差。2.1.5導熱系數(shù)表征材料導熱性能的參數(shù)指標，它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的 導熱帚:，單位為W/m.K或W/m.C2.1.6對流換熱系數(shù)反映網(wǎng)種介質(zhì)間對流換熱過程的強弱

8、，表明當流體與壁面的溫差為1 C時，在單 位時間通過單位面積的熱帚:，單位為W/nr.K或W/m叮C2.1.7層流與紊流(湍流)層流指流體呈有規(guī)則的、有序的流動，換熱系數(shù)小，熱阻大，流動阻力小；紊流指流體呈無規(guī)則、相互混雜的流動，換熱系數(shù)大，熱阻小，流動阻力大。層 流與紊流狀態(tài)一般山雷諾數(shù)來判定。在熱設計中，盡可能讓熱耗大的關鍵元器件周圍 的空氣流動為紊流狀態(tài)，因為紊流時的換熱系數(shù)會是層流流動的數(shù)倍。2.1.8流阻反映流體流過某-通道時所產(chǎn)生的靜壓差。單位帕斯卡或In. water2.1.9黑度實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，在01之間。它取決丁物體種 類、表而狀況、表而溫度及表而

9、顏色。表而粗糙，無光澤，黑度大，輻射散熱能力 強。2.1.11 雷諾數(shù) Re(Reynlods)雷諾數(shù)的大小反映了空氣流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數(shù)是說明流 體流態(tài)的一個相似準則數(shù)。其定義一般為式中u為空氣流速，單位m/s： D為特征尺寸，單位m,根據(jù)具體的對象結構情況取 值；為運動粘度，單位m/s。2.1.12 普朗特數(shù)Pi(Prandtl)普朗特數(shù)是說明流體物理性質(zhì)對換熱影響的柑似準則數(shù)。空氣的Pr數(shù)可直接根據(jù) 定性溫度從物性表中査出。2.13努謝爾特數(shù)Nu(Nusseltl)反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱，是一個說明對流換熱強弱的相似 準則數(shù)。其定義一般為h為換熱系數(shù)

10、，單位W/nr/C： D為特征尺寸：為導熱系數(shù)，單位W/m/Co2.1.14通風機的特性曲線指通風機在某一固定轉(zhuǎn)速下工作，靜壓隨風量變化的關系曲線。當風機的出風口 完全被睹住時，風暈為零，靜圧最島；當風機不與任何風道連接時，其靜壓為零，而 風量達到最大。2.1.15系統(tǒng)的阻力特性Illi線系統(tǒng)（或風道）的阻力特牲曲線：是指流體流過風道所產(chǎn)生的壓降隨空氣流量變化 的關系曲線，與流暈的平方成正比。2.1.16通風機工作點系統(tǒng)（風道）的特性曲線與風機的靜問III線的交點就是風機的工作點。2.1.17速度頭一鮫使用空氣的動用頭來作為電子設備機箱床降的慣用皋準，其定義為為空氣密度，u為空氣流速。風道中空

11、氣的潴壓損失就由速度頭乘以阻力損失系數(shù)獲2.2熱量傳遞的基本方式及傳熱方程式熱雖傳遞有三種方式：導熱、對流和輻射，它們可以單獨出現(xiàn)，也可能兩種或三 種形式同時出現(xiàn)221導熱的基本方程:導熱是在同一種介質(zhì)屮由丁存在溫度梯度所產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)彖。（2-1）入.導熱系數(shù)，W/m.K或W/m.C; A導 導熱方向上的截面而積，nfx方向上的溫度變化率，C;陰.導熱熱阻,C/W根據(jù)方程的形式，可以看出，要增強散熱童，減小溫升，可以增加導熱系數(shù)，選 用導熱系數(shù)高的材料，如銅（約360W/mC）或鋁（約160W/mC）；增加導熱方向上 的截面積；減小導熱方向上的路徑。222對流的基本方程：對流是由流體與流體流經(jīng)

12、的固體表而之間存在的溫差產(chǎn)生的換熱現(xiàn)象。（2-2） h對流換熱系數(shù)，W/m2.K或W/m-C; A對 有效對流換熱而積，m29熱表而溫度，C;Q冷卻空氣溫度，C;R對流一對流熱阻，*C/W由方程可見，耍增強對流換熱，可以加大換熱系數(shù)和換熱而積。2.2.3慟射的基本方稅：(2-3)系統(tǒng)黑度，e 2分別為離溫物體表面（如發(fā)熱器件）和低溫物體表面（如機応內(nèi)表 面）的黑度；Fiz-表而1到表而2的角系數(shù)。即表而1向空間發(fā)射的輻射落到表而2的白分 數(shù)。A物體1的有效輻射面積，m2;Ti,Tl分別為物體1和物體2的絕對溫度，K由方程可見，耍增加輻射換熱，可以提尚熱源表而的黑度和到冷表而的角系數(shù)， 增加表面

13、積。23增強散熱的方式以下一些具體的散熱增強方式，其實就是根據(jù)上述三種棊木傳熱方程來增加散熱 量的:231增加有效散熱而積。如在芯片表而安裝散熱器；將熱最通過引線或?qū)峤^緣材料 導到PCB板中，利用周陽PCB板的表面散熱。2.3.2增加流過表而的風速，可以增加換熱系數(shù)。2.3.3破壞層流邊界層，增加擾動。紊流的換熱強度是層流的數(shù)倍，抽風時，風道橫截 面上速度分布比較均勻，風速較低，一般為層流狀態(tài)，換熱避面上的不規(guī)則凸起可以 破壞層流狀態(tài)，加強換熱，針狀散熱器和翅片散熱器的換熱而積一樣，而換熱量卻可 以增加30%,就是這個原因。吹風時，風扇出口風速分命不均，有主耍流動方向，局 部風速較高，一般為

14、紊流狀態(tài)，局部換熱強烈，但雯注意冋流低速區(qū)換熱較差。2.3.4盡最減小導熱界而的接觸熱阻。在接觸而可以使用導熱硅膠（絕緣性能好）或鋁 箔等材料。2.3.5設法減小散熱熱阻。在屏蔽盒等封閉狹小空間內(nèi)的單板器件主耍通過空氣的受限 門然對流和導熱、輻射散熱，由丁空氣的導熱系數(shù)很小，所以熱阻很大。如果將器件 表面和金屈殼內(nèi)側(cè)通過導熱絕緣犁接觸，則熱阻將大人降低，減小溫升。第三章自然對流換熱當發(fā)熱表而溫升為40C或更高時，如果熱流密度小丁O04W/cm，,則一般可以通 過H然對流的方式冷卻，不必使用風扇。H然對流主要通過空氣受熱膨脹產(chǎn)生的浮升 力使空氣不斷流過發(fā)熱表面，實現(xiàn)散熱。這種換熱方式不需要任何輔

15、助設備，所以不 需要維護,成本最低。只要熱設計和熱測試表明系統(tǒng)通過門然對流足以散熱,應盡暈 不使用風扇。3.1自然對流熱設計要考慮的問題如果設計不當，元器件溫升過高，將不得不采用風扇。合理全面的IH然對流熱設 計必須考慮如下問題：3.1.1兀器件如局是否合理。.在布置元器件時，應將不耐熱的元件放心靠近進風口的位 置，而且位于功率大、發(fā)熱最大的元器件的上游，盡最遠離高溫元件，以避免輻射的 影響，如果無法遠離，也可以用熱屏蔽板(拋光的金屈薄板，黑度越小越好)隔開； 將本身發(fā)熱而乂耐熱的元件放在靠近出風口的位置或頂部；般應將熱流密度島的元 器件放任邊沿與頂部，靠近出風口的位置，但如果不能承受較高溫度

16、，也要放在進風 口附近，注意盡帚與其他發(fā)熱元件和熱敏元件在空氣上升方向上錯開位置:大功率的 元器件盡屋分散布局,避免熱源集屮；不同大小尺寸的元器件盡最均勻排列，使風阻 均布，風量分布均勻。單板上元器件的布局應根據(jù)齊元件的參數(shù)和使用要求綜合確定。3.2是否有足夠的|然對流空間。元器件與元器件Z間，元器件與結構件之間應保持 一定距離，通常至少13mm,以利于空氣流動，增強對流換熱。一些具體的參考距離尺 寸如下：3.1.2對相鄰的兩垂直發(fā)熱表面,d/L=0.25,如圖3l(a)所示;3.122對相鄰的垂杠發(fā)熱表面與冷表面間距,dlllltl=2.5min,如圖3l(b)所示；3.123.對鄰近的水平

17、發(fā)熱圓柱體和冷的上表而之間.d/D=085,如圖3亠(c)所示；3.124對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的垂任表面之間,d/D=0.7,如圖3-1-(d)所示；3.1.2.5對鄰近的水平發(fā)熱岡柱體和冷的水平底面之間,d/D=065,如圖3亠(e)所示；d/L=0.25(a) d/ D=0.85dni n=2 5 mm(b)冷衷而 -D-熱卻i熱表ihi熱表而d/ D=0.65 DY冷喪面(c)(d)(e)圖3門然對流時元器件排列的距離關系豎H放置的電路板上的元件與相鄰單板之間的間隙至少為19mmo進出風口應盡最遠 離,避免氣流短路，通風口盡址對準散熱要求高的元件3.1.3是否充分運用了導熱的傳熱途

18、徑。|由丁十I然對流的換熱系數(shù)很低，一般為 310W/m，C,|元件表而積很小或空間較小無法充分對流時,散熱最會很小，這時應盡 量采用導熱的方式，利用導熱系數(shù)較島的金屬或?qū)峤^緣材料（如導熱硅膠，云母， 導熱陶瓷，導熱墊等）將元件與機殼或冷板相連，將熱最通過更大的表面積散掉。34使用散熱器。對丁個別熱流密度較尚的元器件，如果H然對流時溫升過烏，可以設計或選用散熱器以增加散熱表面，設計選用方法見笫5章。3.5建否允分運用了輜対的傳熱途徑。鳥溫元件町以通過輻對將部分熱繪傳遞給機 殼，機殼對輻射熱的吸收強度和表而的黑度成正比。表而粗糙度越高，黑度越高，而 顏色對黑度的影響并不如人們 般認為的那樣明顯

19、。當機殼表而涂漆，黑度可以達到 很高，接近1。在一個密閉的機盒中，機殼內(nèi)外表面涂漆比不涂漆時元件溫升平均將卜 降10%左右。3.1.6其他的冷卻技術。如果高熱流密度元器件附近的空間有限，無法安裝人散熱器， 可以采用冷管，將熱最導到其他有足夠空間安裝散熱器的位置。綜介考慮上述問題時，將會有許多不同的結構布局方案，用一般的理論公式較難 分析有限空間的復雜流動和換熱，也難以比較方案的好壞。瑕好采用熱設計仿真分析 軟件對機箱/盒建模劃分網(wǎng)格并計算，然后叮以方便地改動布局方案再次計算，比較不 同方案的計算結果，即可獲得最佳的或滿足耍求的方案。國外許多通信公司都采用這 種軟件幫助新產(chǎn)品的熱設計，使一些產(chǎn)品

20、避免采用風塌散熱。3.2自然對流換熱系數(shù)的計算電子設備的IT然對流通常屈丁層流狀態(tài)，可以采用如下實驗關聯(lián)式計算（3-1）C-常數(shù)，取決于加熱面的形狀與位置，由表31査出g重力加速度,9.8m/s2Pr普朗特數(shù)壁面與空氣的溫差空氣導熱系數(shù)，W/mC空氣體積膨脹系數(shù)，”C空氣運動粘nr/s1-特征尺T，m，計算方法由表31査出式中屬于空氣物性的參數(shù)可根據(jù)定性溫度從空氣物性表査出,定性溫度可取壁面溫度 與空氣溫度的算術平均值。由于空氣物性在常溫范困內(nèi)隨溫度的變化不大，為方便使 用，將40C時的值代入上式，得如下簡單關聯(lián)式（3-2）表31常數(shù)C的典型值與特征尺寸的取值方法加熱而的形狀與位置C特征尺寸1

21、垂宜的板、圓柱體、管0.56垂肖高度（如果大于0.6m,則取0.6）水平的圓柱體或管0.52直徑水平板，加熱而朝上0.52水平板，加熱而朝下0.26形狀不規(guī)則的小元件或線 （如晶體管、電阻.繼電 器、小型變床器）1.45直徑算例:某交換機插框電路板垂片放置，間距25.4mm,單板尺寸233.3mmX280mm （高 X深），每個單板功耗為11.5W,初步估算可認為熱耗在單板上均勻分布，空氣溫度 27-C,求單板平均表而溫度。解：由丁電路板面對面安裝，相互間的輻射換熱互相抵消，元件到機殼的角系數(shù)很 小，輻射可以忽略。插框采用塑膠滑道，導熱可以忽略。單板主耍換熱方式為對流， 可采用式22計算(3-

22、3) 式中換熱系數(shù)h可按垂肖平板的情況由式32計算,査表31, C為0.56,特征尺寸1為單 板高0.233m,將參數(shù)代入式33,得解得，故單板平均溫度為。電子元件的引線穿過電路板，在背面與印制敷銅導線用錫焊焊牢，部分熱量將通 過引線導到單板的背面。實驗表明，PCB板背面能増加有效傳熱面積約達30%。將上 而計算中使用的而積增大為1.3倍，單板溫度為55.3Co注意到單板的平均熱流密度為，一般初步估計分析對象是否可以采用IH然對流散熱的方式時，可以先根據(jù)其熱流密度是否小于 0.04W/cm2 來判斷。DKBA0.400.0037 REV. 1.0第四章強迫對流換熱風扇冷卻當散熱面熱流密度超過0

23、.08W/cm2,就必須采用強迫風冷的方式散熱。強迫風冷在 我公司產(chǎn)品中應用最多。有時盡管不用風扇可以散熱，但散熱器和機箱體積會很大， 采用風廟冷卻可以將體積減小許多。4.1風道的設計強迫風冷中風道的設計非常巫耍。以下是設計的一些基本原則：盡量采用也通風道，避免氣流的轉(zhuǎn)彎。在氣流急劇轉(zhuǎn)彎的地方，應采用導風板使氣 流逐漸轉(zhuǎn)向，使斥力損失達到最小。盡量避免驟然擴展和驟然收縮。進出風口盡最遠離，防止氣流短路。在機柜的而板、側(cè)板、后板沒有特別耍求一般不耍開通風孔，防止氣流短路。為避免上游插框的熱量帶入下游插框，影響其散熱，可以采用獨立風道，分開散 熱。風道設計應保證插框單板或模塊散熱均勻，避免在回流區(qū)

24、和低速區(qū)產(chǎn)生熱點。對丁并聯(lián)風道應根據(jù)各風道散熱量的要求分配風量，避免風道阻力不A理布局 耍避免風道的高低斥區(qū)的短路風道2以下是一些典型的風道風道1瑕簡單的鼓風風道，由機柜底部進風， 可由機柜頂部出風。如果耍求防滴落， 可在頂部加蓋板,側(cè)出風,或頂部安裝 金屬絲網(wǎng)。放簡單的抽風風道，由機柜底部進風。流場分布均勻，并插框換熱強度相爭不大。但如果風道中有較大的縫隙,如拉DKBA0.400.0037 REV. 1.0靠近風扇的插框換熱效果般佳，由丁風 道必然在漏風，而且離風扇較遠處流 場分布已較均勻，所以上插框的風速相 對較低，換熱比較弱，而且下而插框的 熱最將帶入上插框。宙丁機柜內(nèi)為正壓，灰塵不會從

25、縫隙進 入機柜。手條間的間隙，則會形成氣流部分短 路，下而插框的通風最將大大降低。 下面插框的熱最依然被帶入上面的插 框。機柜內(nèi)為負壓，灰塵將通過縫隙進 入機柜。利用斜擋板將上下風道分為兩個部分獨工散熱，由丁風扇進出風口沒有受到H接阻擋，其風阻將比風道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0利用斜擋板將上下風道分為兩個部分獨工散熱，由丁風扇進出風口沒有受到H接阻擋，其風阻將比風道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0風道3風道4利用斜擋板將上下風道分為兩個部分獨工散熱，由丁風扇進出風口沒有受到H接阻擋，其風阻將比風道4、7的情況要DKBA0.400.0

26、037 REV. 1.0風扇框冷聯(lián)風道，適用丁機柜風阻較人 的情況?？拷L扇出風口的部分換熱最 強烈，但耍注意風扇的HUB附近將形成 回流死區(qū)。中間插框由丁上下風扇串 聯(lián)，氣流不能充分擴散，靠近拉手條和 母板的部分風速會比較低，宜將發(fā)熱元 器件與熱敏元器件布丁單板的中間。如 果單板較深，根據(jù)需耍在深度方向上可 采用兩排風扇。風扇也可分別置丁機柜的頂部和底部， 但噪音將比置于插框間大。插框獨立抽風散熱風道，適用丁各框散 熱最都比較大的情況，各插框散熱互不 干擾機柜由開孔前門進風，頂插框可 以上出風，下而的插框后出風。采用軸 流風扇時，出風K接受阻擋，風阻較 大。如果機柜不宜做得較深，必須在后 門

27、開孔，并且機柜離墻有足夠的距離； 如果機柜可以做得較深,可以在后門與 母板間流出足夠?qū)挾鹊目臻g作為風道， 將風從機柜頂部排出，宙丁風道多次垂 代轉(zhuǎn)彎，將形成較大的風阻，宜在后風 道安裝導風裝置或采用離心風扇。注意，由丁進風為水平方向，單板的右 上區(qū)（拉手條端）將形成回流區(qū)，此處 不立布置熱流量較高的元件和熱敏元 件。風道5風道6n然對流獨立散熱風道，與風道4類似, 無風扇，機柜出風口在后門的頂部。插 框進出風口的大小根據(jù)發(fā)熱建和插框疝 度而定。機柜后面的風道要求有足夠的 寬度，根據(jù)具體設計而定。如果機柜中有的插框需耍風扇冷卻，有 的插框門然散熱即可（如發(fā)熱量不人的 電源模塊框）,則采用獨立風道

28、的方 式，結合風道4與風道5.均可滿足耍 求。這樣可以減少風扇，降低噪音與成 本。為LUCENT寬帶傳輸?shù)臋C柜風道，與風 道4、5類似,插框獨立散熱。兩個子框 采用鼓風方式，最下而的插框門然散 熱。風扇斜放的角度盡量大丁45 ,避 免風扇進風不利和產(chǎn)生較人的噪音。風 扇前面的斜板為防塵板，在這電安置防 塵板，可以增加防塵而積，減小阻力， 均化流場。如圖可見，采用鼓風方式的獨立風道將 大大増加機柜髙度。利用斜擋板將上下風道分為兩個部分獨工散熱，由丁風扇進出風口沒有受到H接阻擋，其風阻將比風道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0利用斜擋板將上下風道分為兩個部分獨工散熱，由丁

29、風扇進出風口沒有受到H接阻擋，其風阻將比風道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0風道8風道7為風道6的改進版，將風扇框與出風口作 為一體，可節(jié)省髙度空間，斜板還有導 風作用。注意對丁常用的何徑120的風利用斜擋板將上下風道分為兩個部分獨工散熱，由丁風扇進出風口沒有受到H接阻擋，其風阻將比風道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0扇，標準風扇框的高度將達3U,比風道 4中的一體化風扇框烏1U,但局部散熱效 果應比風道4的情況好,適用r散熱元器 件比較集中且分布在風;it集中區(qū)域的情 況。風扇也可平放，高度可降低為2U, 但噪音與進風會受一定影響。小，

30、而H插框的流場均勻，無回流低速 區(qū)?？筛鶕?jù)風阻情況増加風扇框。在富十通和三菱電機的寬帶CDMA樣機 中均采用類似風道結構，但風扇框血接 放在進風口上面，噪音會比較大，但鼓 風換熱強度高，這種方式進風応會受一 定影響。風道9風道10此為CISCO 12016的系統(tǒng)風道設計。頂框 為電源框，IH帶風扇前后通風。下面有 三個插框，風道的頂部與底部各有一個 風扇框，采用離心風扇后排風，風扇的 進風口前有一定高度的靜壓腔使各單板 送風均勻。由中間插框的前而板進風， 裝有防塵網(wǎng)。這種風道將上下框的散熱 量分開,避免了熱量的疊加,直接利用 插框高度作為進風口，節(jié)省了機柜的高 度空間。此為CISCO 7513

31、的系統(tǒng)風道設計。底部為電源模塊，IH帶風扇前后通風。頂部為離心風扇，向單板區(qū)抽風冷卻，由機箱后下方進風，經(jīng)機箱前而深約200的風道向前下方排出。DKBA0.400.0037 REV. 1.0CPK8215 sine viewview ol the ch ossa 玄hows how fhflow Inside 5風道12風道11Motorola CPX8216機箱風道。采用可變 速軸流風扇鼓風，風扇豎放，風扇的出 風口處裝有導風葉片，將氣流按系統(tǒng)熱 最分布分為三個部分，一部分冷卻電源 模塊，一部分冷卻后插單板部分和前插 單板的后半部分，一部分冷卻前插單板 靠近拉手條的發(fā)熱元器件。這種設計使 結

32、構緊湊，風量介理分配。這是典型的機箱通風風道設計，采用離 心風扇抽風，向后排出，進風口在機箱 前下方。威圖和國外一些產(chǎn)品都采用這 種風道。我們冃前學握的離心風扇資料 中沒有合適的型號可用丁這種設計，主 耍因為離心風機的風量過小，尺寸大， 噪音也大。風道14鼓風式的機箱風道設計-Motorola的一吐產(chǎn)品中可以見到。鼓風的換熱強度比抽DKBA0.400.0037 REV. 1.0鼓風式的機箱風道設計-Motorola的一吐產(chǎn)品中可以見到。鼓風的換熱強度比抽DKBA0.400.0037 REV. 1.0風道12中如果沒有合適的離心風扇型兮 可選，可用軸流風扇豎放代替，但風扇鼓風式的機箱風道設計-M

33、otorola的一吐產(chǎn)品中可以見到。鼓風的換熱強度比抽DKBA0.400.0037 REV. 1.0DKBA0.400.0037 REV. 1.0模塊將占用較人高度空間。如果機箱高 度冇限制，可將風扇平放，但風扇出風 口上方還是得留有一定出風空間，至少 40mim如風道4中的風扇框-樣，這種 方式風阻較大，對風最有一定影響，需 耍采用較大尺寸風扇。風時高，但送風不均勻,在風扇中心和 風扇之間都心在回流死區(qū)，耍警惕這些 死區(qū)的存在，將發(fā)熱芯片布置在氣流集 中的地方。將風扇出風口和單板保持 50mm的跖離，可使流場均勻，但將增加 島度空間。另外，風扇的進風口距離底 板較近，會產(chǎn)生較大噪音，進風也受

34、障 礙,所以應盡量加大距離，距下壁面至 少 40mm a?ecr風道15Motorola曾在其基站產(chǎn)品中采用這種風道 設計，進風口在機柜上前方，在機柜底 部采用兩個大離心風扇抽風，并向前方 排出。這種通風方式與H然對流的方向 背道而弛，上耍是考慮避免高速氣流正 對人吹。另外向機柜前方出風，避免了 后出風時靠墻安裝所遇到的阻力。4.2抽風與吹風的區(qū)別4.2.1吹風的優(yōu)缺點氐 風扇出口附近氣流主要為紊流流動，局部換熱強烈，宜用丁發(fā)熱器件比較集中的情 況，此時必須將風扇的主要出風口對準集中的發(fā)熱元件。b. 吹風時將在機柜內(nèi)形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進入機柜/箱。c. 風扇將不會受到系統(tǒng)散熱量的影

35、響，I作在在較低的空氣溫度下，風扇壽命校長。d. 由丁吹風有一定方向性，對幣個插框橫截而上的送風最會不均勻。e. 在風扇HUB附近和并聯(lián)風扇之間的位置有部分回流和低速區(qū)，換熱較差，最好將風 扇與插框保持50mm以上的間距，使送風均勻化。422抽風的特點a. 送風均勻，適用于發(fā)熱器件分布比較均勻，風道比較復雜的情況。b. 進入風扇的流動主要為層流狀態(tài)。c. 風扇將在出風口高溫氣流下匸作，壽命會受影響。d. 機栢內(nèi)形成負用，縫隙中的灰塵將進入機柜/箱。4.3風扇選型設計4.3.1風扇的種類通信產(chǎn)品中運用的風扇有軸流(Axial)、離心(Radial) 混流(Mixed-flow)三種，它們的典型特

36、性曲線見圖41圖4-1圖中橫坐標表示風晟，單位有mVh、m/min、CFM (立方英尺/分鐘， lCFM=4.72X104m7s)?？v坐標表示風扇產(chǎn)生的靜床，單位有Pa、in. of water(=249Pa). mm H2o(=9.8Pa)o由圖中可以看岀,耍使風扇的風量越大,其產(chǎn)生的 靜壓就越小，用丁克服風道阻力的能力就越小。從圖中的對比可以看出，軸流風扇風量大、風斥低，曲線中間的平坦轉(zhuǎn)折區(qū)為軸 流風扇特有的不穩(wěn)定匸作區(qū)，一般耍避免風扇匸作在該區(qū)域。最佳匸作區(qū)在低風床、 大流鼠的位置(曲線的后1/3段)。如果系統(tǒng)的阻力比較大，也可以利用高風壓、低流 量的工作區(qū)(曲線的前1/3段)，但要注意

37、風量是否達到設計值。離心風扇的進、出風 方向垂直，其特點為風斥大、風帚:低，最好匸作在曲線中尿力較高的區(qū)域?；炝黠L扇 的特點介丁軸流和離心之間，出風方向與進風有-傾斜角度，則風最可以立即擴散到 插框的各個角落，而且風斥與風量都比較人，但風扇HUB K徑較人，匕對HUB的部分 風速很低，回流比較嚴重。目前公司除極個別產(chǎn)品采用混流風扇外，一般都采用軸流風扇。我公司采用的風 扇產(chǎn)品主要有NMB、PAPST、DELTA SONON,其中PAPST的風扇雖然性能好，但 在商務采購上評級為D,不推薦采用。NMB用得較多，DELTA樣品供貨較快。4.3.2風扇與系統(tǒng)的匹配空氣流過風道將產(chǎn)生斥力損失。系統(tǒng)的爪

38、力損失有沿程阻力損失和局部阻力損 失。沿程損失是由氣流相互運動產(chǎn)生的阻力及氣流與瞇而或單板的摩擦所引起的。局 部阻力損欠是氣流方向發(fā)生變化或風道截而發(fā)生突變所引起的損失。不管哪種損失， 均和當?shù)仫L速的平方成正比，如局部斥力損失由卜式計算（4-1）式中為阻力系數(shù)，為空氣密度，v為風速。以下是一些典烈的局部阻力系數(shù)農(nóng)4-1典型局部阻力系數(shù)說明空氣由環(huán)境人空間進入進風口（流動突縮）1空氣由出風口進入環(huán)境大空間（流動突擴）1空氣經(jīng)過90轉(zhuǎn)彎1.5流通而積率為0.3的通幾板（0.01V板厚/幾徑V0.2）18流通而積率為0.5的通幾板（0.01V板號/幾徑V0.2）4流通面枳率為0.7的通孔板（0.01

39、V板厚/孔徑V0.2）1系統(tǒng)的丿k力損失與風暈呈拋物線關系，風扇產(chǎn)生的靜丿k必須克服阻力損失，將風 扇的特性曲線與系統(tǒng)的特杵曲線畫在同一張圖中，兩條曲線的交點即為風扇與系統(tǒng)的 工作點，如圖42所示Flow rase ? 圖42風丿對與系統(tǒng)的匹配匸作點圖中表明風扇在該系統(tǒng)中T作時的風最為35m7s,產(chǎn)生的掙斥為30Pa,系統(tǒng)的斥力損 失為30Pa。如果工作點顯示的風鼠不滿足設計要求，則需耍選擇其他型號的風扇來匹 配，或設法降低系統(tǒng)阻力，增加風最。4.3.3風扇的串并聯(lián)在機柜/箱中一般為保證送風均勻和足夠的風暈，采用風扇并聯(lián)使用的方式。風扇 并聯(lián)時的特性Illi線理論上為各風扇Illi線的橫向疊加

40、，如圖43所示，實際上一般會比理 想曲線略低。由圖中可以看出，兩個風扇并聯(lián)使用產(chǎn)生的風最并不是僅采用一個風扇 時產(chǎn)生風量的兩倍，可能只增加30%,這和系統(tǒng)阻力特性曲線在工作點附近的斜率大 小有關。如果系統(tǒng)阻力較大，阻力特性曲線較陡，當風扇并聯(lián)的數(shù)H多到一定程度 時，并不能明顯增加風最。一般建議橫向上并聯(lián)風扇數(shù)目不要超過3個，如果插框較 寬，可以用4個，縱向上除非插框很深，一般只用一排。當機柜/箱的阻力較大時，可以采用風扇串聯(lián)使用的方式。風扇串聯(lián)時的特性曲線理論上為各風扇曲線的縱向栓加，如圖44所示，實際曲線一般會比理論曲線略低。100 Pa6050 f QSBOJOW(DJnssaldFlow

41、 rate 0 圖43風扇的并聯(lián)特性曲線DKBA0.400.0037 REV. 1.0DKBA0.400.0037 REV. 1.0圖44風扇的巾聯(lián)特性血線4.3.4在實際安裝情況下風扇特性曲線的改變風堀安裝在系統(tǒng)中，宙丁結構限制，進風口和出風口常常會受到各種阻擋，其性 能曲線會發(fā)生變化，如圖45所爪。由圖中可以看出，風扇的進出風口最好與阻描物有 40mm的卅i離,如果冇空間限；別，也應至少冇20mm。圖4-5風扇特性曲線隨阻擋物的距離發(fā)生的變化4.3.5風扇的噪?yún)饐栴}風扇產(chǎn)生的噪音與風扇的工作點或風最有氏接關系，如圖46所示，對丁軸流風扇 在大風臺，低風壓的區(qū)域噪聲最小，對丁離心風機在高風壓

42、，低風呈的區(qū)域噪聲最 小，這和風扇的最佳工作區(qū)是吻合的。注意不耍讓風扇工作在高噪音區(qū)。風劃進風口受阻擋所產(chǎn)生的噪冷比其出風口受阻擋產(chǎn)生的噪背大好兒倍，所以 般應保證風扇進風I丨離I用為物至少30mm的跖離,以免產(chǎn)生額外的噪音。對丁風扇冷卻的機柜，在標準機房內(nèi)噪音不得超過55dB,在普通民房內(nèi)不得超過 65dBo對于不得不采用大風帚，高風床風扇從而產(chǎn)生較大噪音的情況，可以在機柜的進 風口、出風口、前后門內(nèi)側(cè)、風扇框而板、側(cè)板等處在不影響進風的條件下貼吸音材 料，吸音效果較好的材料主耍是多孔介質(zhì)，如玻璃棉，厚度越厚越好。將風扇框置丁插框之間比置于機柜的頂部或底部時噪音將略低，即插滿單板或模 塊的插

43、框有部分消音作用。有時由于沒有合適的風機而選擇了轉(zhuǎn)速較高的風機，在保證設計風量的條件下， 可以通過調(diào)整風機的電斥或其他方式降低風扇的轉(zhuǎn)速，從而降低風扇的噪?yún)稹．旓L機 的轉(zhuǎn)速n變化不超過10%時，相應的噪音降低變化為式中小為原轉(zhuǎn)速，山為調(diào)低后的轉(zhuǎn)速。150 View Me P圖4-6風扇噪怦隨風最的變化4.4機柜/箱強迫風冷設計對系統(tǒng)進行初步的熱分析，先根據(jù)結構情況依據(jù)4的原則進行風道設計。然后佔 算機箱冷卻所需的空氣流最和相應的用降，據(jù)此進行風扇的選型和確定風扇的個數(shù)。 根據(jù)風堀的位置和風道情況，將發(fā)熱元件和熱敬元件盡可能地布置在合適的位置，保 證這些位置的風速較高，避開冋流區(qū)和低速區(qū)。然后對

44、具體熱流密度比較高的器件進行溫升校核計算(見第五章)，必要的話進行散熱器設計(見第5章)o機柜/箱級計 算的步驟如下：第一步：確定風道形式和風道尺寸，了解系統(tǒng)總熱耗Q和各單板熱耗Q,環(huán)境溫度Ta。第二步：估計機柜/箱空氣進出口溫差。經(jīng)驗表明機柜fi通風道一般在5C10C。然后由下式的一般在8C15C,臺式機箱或插框單獨風逍的 計算冷卻空氣的體積流量，即風鼠(m7s)(4-2)為空氣的定床比熱，常溫下為1005W/kgC。為空氣密度，常溫下為1.16kg/m3oQ為系統(tǒng)總熱耗(W)。粗略佔算時由上式即可獲得所霜風量。除以風道流通截面積即可獲得平均風速。對丁機柜插框單板間的風速，經(jīng)驗表明，一/Jn

45、Vs2m/s之間。如果功耗較小，有時僅盂0.5m/s,如果功耗很大時，仃時盂要23nVs。笫三步：根據(jù)風道結構與單板阻力情況和空氣流速，佔算空氣總斥降?？諝饩植看步?的計算公式為(4-3)為速度頭，空氣速度v由流量和風道橫截而積計算，為丿部床力損失系數(shù)，由實 驗確定或憑經(jīng)驗估計。第四步：根據(jù)估算獲得的單板風速和空氣溫升進行主要大功率元器件與熱敏元件的溫 升校核計算，具體見第五章。如果部分元器件無法滿足散熱要求，則需耍提島風速， 增加風帚:，或進行電氣或結構方面的方案改進，或增加散熱器，苴到所以元器件的溫 升均滿足要求為止。第五章單板元器件安全性熱分析5.1元器件溫升校核計算4.4節(jié)中確定的風量

46、僅僅是根據(jù)經(jīng)驗獲得的大致估算值，為保證元器件的安全散 熱，需要具體校核大功率元器件與熱敏元件的結溫在強迫風冷下是否匸作在安全溫度 下，首先得獲得如下數(shù)據(jù)：所以較大功率元器件的耗散功率Q (額定值)，結點 (junction)的安全工作溫度范鬧(垠大值和推薦值)，結至冷卻空氣熱阻Rja,結至殼熱阻Rjc,結至板熱阻Rjb,封裝方式，散熱表面外形尺寸(以上參數(shù)一般在元 器件供應商提供的用八千冊小可以佇到),PCB板的層數(shù)，流過元器件的空氣溫度和 速度(由4.4節(jié)系統(tǒng)級估算獲得)?？疾旖Y溫是否滿足下式Tj =Tci + A7h + 0 x Rja Tj. max(5-1)式中環(huán)境溫度Ta的取值應取通

47、倍產(chǎn)品相應環(huán)境標準中規(guī)定的最高溫度或國外同類 產(chǎn)品的域高工作溫度，般電內(nèi)設備町取50C或45C,空外設備取55C?？?1溫升根 據(jù)風最和總功耗確定。如果沒有提供Rja，就需耍運用經(jīng)驗公式計算芯片表面換熱系數(shù)，并根據(jù)器件的表 面散熱最計算殼體溫升(5-2) 式中Q為通過殼體表面的散熱量/W, A為表面換熱面積/nA h為表面換熱系數(shù)/W/m， C,用下式求出(5-3) 式中b和m為實驗系數(shù)，D為特征尺寸，由表5-1査出：為空氣的導熱系數(shù)/W/nfC； Re為雷諾數(shù)。殼體到結點的溫升由下式計算Stjc = QRjc(5-4)最終，計算出的結點溫度必須滿足下式Tj = Tci + A7h + A/(

48、fl + 7, max(5-5)元器件不僅通過表而對流散熱，還通過PCB板的導熱傳遞熱量。PCB的各層信號 層、地層和電源層都鋪有大而積的銅，綜合的導熱系數(shù)比較高，整個PCB板就彖是一 塊大的平板散熱器，具有熱量均勻化的作用。所以應盡最減小結至板的熱阻，如 BGA封裝有大最鋼珠11接和板接觸，熱阻比QFP的封裝方式小。一般較難計笄散熱量 在這兩條散熱路從(表而對流與PCB導熱)上的分配比例，但經(jīng)驗表明對J BGA和 QFP這樣的封裝，表面無散熱器時，PCB導熱量將占總發(fā)熱最的50%或以上，表面加散 熱器時，表而熱阻大幅降低，則PCB導熱最將減小為很小一部分。有時盡管可根據(jù)熱阻參數(shù)或經(jīng)驗佔算獲得

49、元器件各n的結溫，但熱阻參數(shù)實際是 在標準的測試安裝條件下獲得的，實際各種元器件布在單板上時相互間散熱會有一定 影響，例如兒個大功率的芯片布置在佼近的距離散熱會比較惡劣，實際溫升會比計算 值高。而且鋪銅層數(shù)也會不一樣。所以垠好心布板的同時，建工單板熱分析仿貞模 型，現(xiàn)在熱仿真軟件己具有EDA軟件圖形文件的接口，將*.idf文件轉(zhuǎn)換為兒何模熨， 然后輸入各器件的發(fā)熱最和單板的層數(shù)以及來流風速和溫度，即可計算出單板的溫度 分布與元器件溫升，確認設計的安全性。利用仿真模型還可以考慮系統(tǒng)風道產(chǎn)生的回 流或不均勻流場對單板散熱的影響。如果經(jīng)過熱阻參數(shù)或仿真計算確定元器件結溫超過其最犬值，則?？紤]安裝散熱

50、 器，具體設計選型方法見5.3節(jié)。表51不同情況下的常數(shù)b和m橫截面及風向需諾數(shù)bm特征尺寸D氣流垂 直流過 不同截 面小柱 體0.4-4.00.8910.33取柱體橫截 而的水力H 徑，即周長 相同的圓形 截面宜徑, 如邊長為 d的正方形 的水力苴徑為，對丁垂直流 過薄板取板 寬的1/2。4.0-400.8210.38540-40000.6150.4664000-400000.1740.61840000-4000000.0240.805- 2500-8000 (A)5000-100000(B)0.160.0920.6990.67525OO75OO(A)5000-100000(B)0.2610

51、.2220.6240.5884000-15(X)00.2050.73103OOO-15OOO0.0850.804O2500-150000.2240.621(105層流0.660.5沿流動方向 平板長度注：A為Reiher的研究結果，B為Hilpert的研究結果算例一：一個2N2905晶體管(TO5殼體尺寸)在穩(wěn)定功率條件下，在50C的壞境中耗 散功率0.25W,結點到尢體的熱阻為335,晶體管在9(TC結溫下能正常工作。晶體 管安裝在電路板上，如圖所示，當掠過晶體管的空氣速度為1.3m/s時，求晶體管能否 正常工作。苗依管下空氣腺解：査得5(rc時空氣的物性參數(shù)為O晶體管的水力M徑為,用下式計

52、算雷諾數(shù)雷諾數(shù)在404000之間，從表1中査得晶體管的衣面換熱面積這種封裝方式下僅三根細導線與單板相連，通過單板的導熱帚可以忽略,則晶體管表面的溫升為結點到殼體的溫升為晶體管的結點溫度為所以在1.3m/s的冷卻空氣流速下可以保證晶體管正常工作。5.2元器件的傳熱分析5.1.1對丁獨立半導體器件，熱源一般在PN結處.熱暈從PN結出發(fā)通過熱傳導傳至半 導體外殼。熱最在外殼處以三種方式繼續(xù)向外傳播。5丄1以輻射方式傳向空氣5.1.1.2以對流方式傳向空氣5.1.1.3以傳導方式傳向附加散熱器或通過管腳（或引線）傳向PCB板5.1.1.4熱量在散熱器或PCB板處以輻射和對流方式傳向空/（傳入空氣的熱最

53、在機箱內(nèi)以IH然或強迫對流方式傳出機箱外，完成散熱的歷程。 并在一定條件下達到熱平衡。5.1.2對于集成電路、大規(guī)模集成電路、微波半導體器件、混合半導體器件等，是多 PN結元器件，熱量從PN結發(fā)出后互相作用再傳向外殼或基板（或襯底）。5.3散熱器的選型參數(shù)的確定元器件安裝散熱器后，主要散熱路徑是將熱量由殼體傳導給散熱器，由散熱器通 過對流的方式與冷卻空氣換熱。在散熱器選型設計時，可以先忽略通過與PCB板的接 觸傳導的熱量，這本身將給設計留有一個裕度。熱阻、溫升、散熱最三者的關系可通過圖51的熱電類比圖諸楚地表達Tj RjcRes（）TsRsaTc圖51元器件散熱器組裝熱阻網(wǎng)絡簡化圖Qt 元器件

54、的典型熱耗，WoTj 元器件的結溫（Junction temp.）,即發(fā)熱源的溫度,C。Rjc 結到殼體的熱阻，C/WoRes 殼體到散熱器之間的接觸熱阻,C/WTs 散熱器基板的溫度，C。Rsa 散熱器的熱阻，C/WOTa 冷卻空氣的溫度，C/WO由上圖町以得出如下關系式(5-6)其中Qt和Rjc由芯片廠商提供,要使TjTj,max,必須滿足下式(5-7) c 77, max - Ta Rsa 4- Res q Rjc只要接觸良好，一般接觸熱阻較小。接觸面積、接觸床力、接觸介質(zhì)導熱系數(shù)越 大，接觸介質(zhì)厚度越薄，接觸熱阻越小。一般可在接觸面涂上導熱硅脂，或墊一層鋁 箔，或使用導熱絕緣雙而膠降低

55、接觸熱阻。對丁-般的24X24左右的芯片，表而涂有 均勻的薄層導熱硅膠，接觸熱阻可以取0.5BC/Wo在其他參數(shù)己確定的情況下，由式57計算出散熱器的熱阻，即可進行選熨。一般 國外的散熱器供應商會提供散熱器的強迫風冷熱阻特性曲線，如圖53所示風速（LFM圖53奔騰166芯片散熱器熱阻特性曲線LFM為英制單位in/min, 200LFM約為lm/s。根據(jù)系統(tǒng)情況，佔計或佔算流過單板的風 速（對于一般的標準插框，如果使用氏徑120mm的風扇，風速一般在l2m/s左右：如 果使用小風扇，風速一般為0.51.5m/s）,査得對應的熱阻值是否滿足耍求，如果過 大，則需選擇更大的散熱器。公司日前使用的散熱器一般為國內(nèi)外協(xié)廠加工，廠家沒 有風洞設備，不會提供熱阻曲線，選用時可以運用熱仿真軟件