生化分析儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要在生化分析儀中，溫度控制系統(tǒng)的精度直接影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。本文針對小型生化分析儀對溫度控制的要求設(shè)計了分離式的固體直熱恒溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計的難點主要是反應(yīng)液溫度的均勻性和控制精度。本設(shè)計選擇了反應(yīng)盤與反應(yīng)杯分離的機械結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)杯在反應(yīng)槽中旋轉(zhuǎn)，得到很好的溫度均勻性。同時在單片機中利用PID組合算法進行編程，使反應(yīng)液溫度控制在37，其準(zhǔn)確度為 0.3，波動范圍0.1攝氏度，滿足了小型生化分析儀對溫控系統(tǒng)的要求。關(guān)鍵詞：小型生化分析儀、溫度控制、鉑電阻測溫電路、自適應(yīng)PIDABSTRACTIn the biochemical analyzer, the precision of tempe

2、rature control system directly affects the accuracy of test results. According to the requirements of the temperature control system in small biochemical analyzer, this dissertation designs a separate thermostat system with solid directly heating. The main difficulties of this system are the accurac

3、y and uniformity of the reactive liquid temperature. In order to obtain high level uniformity, the mechanical structure separates the plates and cups and the cups circle on the groove of the plates. At the same time the microcontroller is programmed using PID combination algorithm. The temperature o

4、f reactive solution was 37 and the accuracy is 0.3 with fluctuation range of 0.1 degrees Celsius. This design meets the requirements of temperature control system in small biochemical analyzer.Keywords: Biochemical analyzer，Temperature control，Platinum Resistance Temperature Sensor, Adaptive PID.目 錄

5、第1章 引言11.1課題背景11.2 生化分析儀主要溫控方式11.3 溫度傳感器種類及工作方式31.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.5 課題研究內(nèi)容5第2章 鉑電阻溫度傳感器62.1 非線性校正62.1.1 產(chǎn)生非線性的原因62.1.2 惠斯特橋式電路72.2 溫度檢測電路阻值選擇82.2.1 橋式電路阻值選擇82.2.2 AD623運放設(shè)計9 誤差分析112.3 三線式鉑電阻用法122.4溫度傳感遇到的問題14第3章 單片機控制163.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換163.1.1 16位模數(shù)轉(zhuǎn)換163.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換原理163.1.3 建立模數(shù)轉(zhuǎn)換方程173.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換173.2.1 溫度控制算法173.2.2

6、利用計數(shù)器產(chǎn)生PWM波18第4章 加熱系統(tǒng)的驅(qū)動和控制204.1 驅(qū)動芯片的選擇204.2 加熱的控制20預(yù)熱控制20 功率控制224.3 系統(tǒng)設(shè)計需要注意的問題234.3.1 反應(yīng)液溫度控制的滯后性和波動性234.3.2 環(huán)境溫度對穩(wěn)定溫度的影響244.3.3 溫度控制電路板的優(yōu)化設(shè)計25第5章 PID控制算法275.1 PID控制原理275.1.1 模擬PID控制275.1.2 數(shù)字PID控制275.2 新型PID控制285.2.1 自適應(yīng)PID控制285.2.2 智能控制285.3 自整定PID控制315.3.1 Ziegler-Nichols設(shè)定方法315.3.2 臨界靈敏度法365.

7、4 溫度控制PID405.4.1 測試中參數(shù)的選定405.4.2 環(huán)境溫度影響下的修正42第6章 結(jié)束語456.1 總結(jié)456.2 展望45參考文獻46致謝48外文資料原文49外文資料譯文53第1章 引言1.1課題背景臨床化學(xué)實驗操作步驟中的吸樣、吸試劑、混合、去干擾物、保溫、檢測、結(jié)果計算和報告的儀器操作被稱之為臨床化學(xué)的自動化分析，其儀器稱為自動生化分析儀1。自動生化分析儀集光學(xué)、精密機械、電子、電子計算機等技術(shù)為一體，屬高技術(shù)含量的儀器設(shè)備，特別是高檔大型全自動生化分析儀配套技術(shù)，包括機器人技術(shù)、集束光導(dǎo)纖維傳播技術(shù)、條碼技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)碼技術(shù)及遙控技術(shù)等，使儀器在高速運轉(zhuǎn)中多項任務(wù)、

8、多個過程同時協(xié)調(diào)進行，每小時產(chǎn)生數(shù)百乃至數(shù)千的數(shù)據(jù)2。目前，自動生化分析儀主要分為三種：連續(xù)流動式自動生化分析儀（continuous flow autoanalyzer）、分立式自動生化分析儀（discrete autoanalyzer）、離心式自動生化分析儀（centrifugal autoanalyzer）3。其中，第一類儀器由于不能克服交叉感染（carryover）以及故障率高、操作繁瑣等原因在80年代初已被淘汰。本文中設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)可以應(yīng)用在后兩種生化分析儀中。生化分析過程要求在恒溫條件下進行，樣本和試劑發(fā)生生化反應(yīng)，酶的活性直接影響反應(yīng)結(jié)果，而酶的活性與溫度直接相關(guān)。根據(jù)輔酶Q

9、10理論：溫度每增加10，化學(xué)反應(yīng)速度增加一倍。也就是說，溫度波動0.1，測度結(jié)果變異1%。因此，高精度的溫度控制系統(tǒng)是保證生化分析結(jié)果準(zhǔn)確性和重復(fù)性的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是生化分析儀的重要組成部分4。本文的主要任務(wù)是設(shè)計一個適合生化分析儀的固體直熱恒溫系統(tǒng)。1.2 生化分析儀主要溫控方式目前生化分析儀中主要使用的溫度控制方式有以下幾種：空氣浴，水浴，恒溫液浴，固體干式浴，帕爾貼效應(yīng)片等5。空氣浴利用熱空氣對反應(yīng)杯中的液體進行加熱，通過維持絕緣容器內(nèi)空氣溫度的穩(wěn)定來實現(xiàn)反應(yīng)杯內(nèi)液體溫度的穩(wěn)定。水浴與空氣浴相似，采用水對反應(yīng)杯中的液體進行加熱，通過維持水溫的穩(wěn)定來實現(xiàn)反應(yīng)杯中液體的穩(wěn)定。恒溫液浴采用

10、一種特殊的恒溫液體，該液體為熱容量高、蓄熱能力強、無腐蝕的液體。比色杯和恒溫液不直接接觸，它們之間存在一定的空氣隙。固體干式浴采用銅或者鋁等導(dǎo)熱性能良好的金屬對石英反應(yīng)杯中的液體進行直接加熱6。空氣浴與水浴如圖1-1所示，恒溫液浴和固體干式浴如圖1-2。圖1-1 空氣浴與水浴示意圖、圖1-2 恒溫液浴和固體干式浴示意圖帕爾貼效應(yīng)片是一種目前被廣泛應(yīng)用的溫控方式。這種溫控方式利用帕爾貼效應(yīng)，利用P-N熱電偶，利用帕爾貼效應(yīng)片的熱端和冷端，既可以加熱，也可以制冷。調(diào)整電偶的工作電壓，可使帕爾貼效應(yīng)片（熱電制冷器）在不同的熱端溫度下保持冷端溫度恒定7。圖1-3給出了熱電制冷器的溫度控制原理框圖。圖1

11、-3 熱電制冷器溫度控制原理框圖對于生化分析儀來講，由于儀器本身功能較多，因此不希望在溫控系統(tǒng)中加入過多的外加設(shè)備，因此水浴和空氣浴不適用于本設(shè)計。同時，帕爾貼效應(yīng)片一次只能控制一個樣品，無法滿足分析儀同時分析多個樣品的的需要。因此，本設(shè)計采用固體浴。1.3溫度傳感器種類及工作方式要實現(xiàn)對溫度的控制，首先要實現(xiàn)對被控環(huán)境的溫度檢測，這就需要溫度傳感器的設(shè)計。溫度傳感器按工作原理分可分為熱電偶、電阻溫度傳感器、輻射溫度計、光纖溫度傳感器、石英溫度傳感器等。熱電偶將兩種材料不同的導(dǎo)體串聯(lián)成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點之間存在溫度差時，就會在回路中產(chǎn)生電流。熱電偶的這種效應(yīng)叫做塞貝克效應(yīng)。熱電偶作為溫度傳感

12、器，其優(yōu)點有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、熱容量小以及溫度響應(yīng)快等。電阻溫度傳感器利用純金屬、合金和半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化的物理特性來測量溫度。由于這個特性，使得電阻溫度傳感器可以根據(jù)具體的測量范圍，改變其起始電阻值。當(dāng)利用貴金屬制作敏感元件時，它的性能更加穩(wěn)定，測量的精度也會進一步提高。輻射溫度計是利用斯蒂芬玻爾茲曼全輻射定理而研制出的溫度計。該定理告訴我們，物體的溫度越高，輻射功率就越大。因此，測量出物體所發(fā)射出來的輻射功率，就可以計算出它的溫度。輻射溫度計的特點是非接觸測溫，同時，它具有反應(yīng)速度快、靈敏度高、測溫范圍廣等優(yōu)點。光纖溫度傳感器既可以利用被測物體表面輻射能隨溫度變化測溫，也可以利用

13、光在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳輸?shù)南辔浑S溫度變化測溫。由于其主要利用光的傳輸工作，所以它是一種電氣無源系統(tǒng)，同時具有幾何形狀可隨意改變、抗電磁干擾以及耐水耐腐蝕等其他傳感器無法具備的優(yōu)點。石英溫度傳感器利用石英諧振器的頻率溫度特性進行測溫，不僅具有分辨率高、性能穩(wěn)定和線性度好等特點，而且適用于數(shù)字化處理和遠距離測量。為了盡量減少成本，由于生化分析儀本身不需要進行遠程控制，因此光纖性、輻射性以及石英性均不適宜本設(shè)計。同時，熱電偶涉及到冷端溫度補償，增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，因此選擇電阻溫度傳感器作為使用對象，同時選用穩(wěn)定性互換性良好同時精度高的鉑電阻作為測溫元件。1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀世界上第一臺生化自動分析儀

14、是由美國泰克尼康公司在1957年設(shè)計生產(chǎn)的，是一臺單通道、連續(xù)流動式自動分析儀。此后日本、美國等國家又相繼研發(fā)生產(chǎn)了多個系列的生化分析儀，如今相應(yīng)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善。其中比較具有代表性的是美國BECKMAN公司的CX9全自動生化分析儀和日本日立的7600全自動生化分析儀。CX9的檢測速度可達每小時900多次，最多可以同時測量33項，它的最大特征是直接連接樣品分選的輸送系統(tǒng)，便于對應(yīng)軟件的全自動化處理。日立的7600全自動生化分析儀也是一套大型實驗室自動化系統(tǒng)，它是一種采用了先進的控制技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)開發(fā)的大型組合式分析儀，具有高度的靈活性和擴展性，用戶可以根據(jù)需要配置各種功能部分。整個工作過程

15、由中央計算機執(zhí)行多線程控制，同時通過定時器設(shè)定無人狀態(tài)一體化程序，在程序運行的同時也能智能檢查各模塊，對異常模塊進行維護，真正實現(xiàn)了實驗室全程自動化8。如圖1-4所示為美國BeckmanCX9型全自動生化分析儀，如圖1-5所示為日立7600型全自動生化分析儀。圖1-4 美國BeckmanCX9型全自動生化分析儀圖1-5 日立7600全自動生化分析儀目前國內(nèi)自研生產(chǎn)的生化分析儀以半自動型為主。國內(nèi)全自動生化分析儀的發(fā)展緩慢的原因主要是因為它涉及光、機、電、算、液路、溫控、生化分析等多方面的綜合技術(shù)，系統(tǒng)控制復(fù)雜、控制時序要求嚴(yán)格、運行可靠性和精度要求高等。隨著國內(nèi)醫(yī)院要求診斷指標(biāo)的增多，測試工作

16、量不斷增大，對全自動生化分析儀的要求日益增大，因此其研制和開發(fā)將有著重大的經(jīng)濟效益和社會效益9。1.5 課題研究內(nèi)容 本文主要研究適用于生化分析儀的溫度控制系統(tǒng)，包括以下幾個部分： 1、溫度檢測電路的設(shè)計； 2、溫度控制電路的設(shè)計； 3、溫度控制算法的編程； 4、環(huán)境溫度補償?shù)脑O(shè)計。整個溫度控制系統(tǒng)由兩路具有非線性校正的鉑電阻測溫電路、PWM控制的功率驅(qū)動電路、帶溫度補償?shù)淖赃m應(yīng)PID數(shù)字控制電路等組成。如圖1-6所示：圖1-6 溫度控制系統(tǒng)原理圖溫度控制系統(tǒng)的目標(biāo)是要使反應(yīng)液溫度恒定在37。從圖1 可以看出, 反應(yīng)液溫度是間接控制的。它一方面受反應(yīng)盤溫度影響, 另一方面受環(huán)境溫度的影響。為了

17、補償環(huán)境溫度的影響, 溫度控制系統(tǒng)增加一路環(huán)境溫度測量。因此, 溫度控制系統(tǒng)由兩部分組成, 一部分是用來控制反應(yīng)盤的溫度, 另一部分是用來進行溫度補償。第2章 鉑電阻溫度傳感器2.1 非線性校正本設(shè)計中溫度的檢測通過電阻溫度傳感器實現(xiàn)。當(dāng)采用型號為PT1000、RTD型為DIN的鉑電阻，即在0時阻值為1000，之后溫度每上升一攝氏度阻值上升3.851。因此，需要設(shè)計溫度檢測電路，利用模擬電路計算出鉑電阻的阻值，同時將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，傳遞給用于溫度控制的數(shù)字電路部分。這就要求最終的模擬電壓值與溫度之間形成嚴(yán)格的線性關(guān)系，我們已經(jīng)知道鉑電阻的阻值與溫度之間近似是一種線性關(guān)系，同時在模擬電

18、路中，由于電路原理和元件規(guī)格的限制，也會破壞這種線性關(guān)系。因此，需要設(shè)計專門的模擬電路，來校正這種非線性關(guān)系。產(chǎn)生非線性的原因鉑電阻的電阻值與溫度的關(guān)系，可用下式描述：式中：和分別為和0時鉑電阻阻值；a、b為常數(shù)。顯然式中與之間的關(guān)系是非線性的10。此外，將變化的阻值，轉(zhuǎn)化為變化的電壓，模擬電路的設(shè)計也會影響結(jié)果的線性性。同時，由于模擬電路的輸出電壓將輸入到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳，該引腳具有固定的輸入范圍。本設(shè)計選用的單片機要求輸入電壓在0V到參考電壓之間，否則將使單片機引腳工作在極限條件下。同樣的，這種對輸出電壓的限制也增加了校正結(jié)果線性性的難度。 惠斯特橋式電路使用恒流供電的惠斯特橋式電

19、路可以校正溫度測量電路的非線性。首先使用MAX6235芯片為惠斯特橋式電路提供2.5V的電壓輸入。將此供電電壓輸入到OP07芯片的正向輸入端，OP07芯片相當(dāng)于一個集成運算放大器，在這里用作跟隨器來穩(wěn)定橋式電路的輸入電壓。然后，將橋式電路兩端的輸出電壓，分別通過輸入電阻輸入給AD623芯片，AD623是一個放大倍數(shù)可調(diào)的儀表放大器，可以將橋式電路產(chǎn)生的差值放大。最后再通過作為跟隨器的OP07芯片，將最終的輸出電壓輸入到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳。橋式電路的基本結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示。圖2-1 橋式電路如果用U表示電壓VCC的大小，U1表示電阻R3上端的電壓，則： （2-1）用U2表示電阻R4上端的

20、電壓，則： （2-2）用代表電壓Vout的大小，則有： （2-3）在橋式電路中，因此將式（2-1）（2-2）代入（2-3），可以得到： （2-4）橋式電路中的值要遠遠大于，同時設(shè)，得： （2-5）由此建立了鉑電阻阻值和輸出電壓的線性關(guān)系，如果選擇的阻值等于鉑電阻在零攝氏度時的阻值，那么測溫電路就相當(dāng)與從零攝氏度開始測量溫度。在整個測溫電路中，橋式電路的三塊電阻和用于AD623編程的電阻作用重大，必須采用精度很高的精密電阻，才能滿足本電路的精度要求。同時，通過對這四塊電阻阻值的選擇，可以使輸出的電壓值范圍盡可能地覆蓋單片機輸入電壓的范圍，這樣在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，可以獲得最大的精度。2.2 溫度檢測

21、電路阻值選擇由之前的分析我們知道，溫度檢測電路所使用的電阻的阻值直接決定了該模擬電路輸出的模擬電壓的大小。由于單片機對輸入電壓的要求，不僅需要嚴(yán)格限制該電路的輸出電壓的最小值和最大值，還需要將其電壓變化范圍盡可能地和單片機允許的輸入電壓范圍重合，增大精度。無論是對于橋式電路，還是AD623放大部分，為了實現(xiàn)模擬電路的精確計算，必須全部使用阻值相對精確的精密電阻。如果使用普通電阻，不僅使運算結(jié)果出現(xiàn)與理論計算值極大的偏差，也會由于普通電阻同一批次產(chǎn)品中阻值不同，導(dǎo)致在投入生產(chǎn)之后需要針對每臺機器校準(zhǔn)，這明顯是非常不現(xiàn)實的。本設(shè)計選用Silicon Lab公司的C8051F060作為單片機，為了提

22、高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，也為了方便之后算法的升級，使用了該芯片中16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。該芯片實現(xiàn)該功能主要依靠最高可達1Msps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。這就對模擬輸入端的電壓值提出了要求，此電壓值不能高過單片機此轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓值，同時也不得低于整塊電路板上的零電壓，否則將使單片機工作于極限條件之外，造成單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊燒毀，甚至可能導(dǎo)致整個單片機芯片燒毀，在實際應(yīng)用中，如果出現(xiàn)此情況，將使反應(yīng)盤中的加熱片持續(xù)以全功率加熱，在生化分析中，無疑會破壞反應(yīng)液的化學(xué)性質(zhì)，甚至造成事故。因此，對模擬電路的輸出電壓的控制，至關(guān)重要，而模擬電路中精密電阻的設(shè)計，更是重中之重。由于單片機中是逐

23、次逼近寄存器型ADC，這就使得模擬電壓輸出范圍要盡可能地大。因為這樣轉(zhuǎn)換的結(jié)果是一個模擬電壓值對應(yīng)一個16位二進制數(shù)，當(dāng)電壓可變范圍擴大時，數(shù)字電路可以分辨的溫度值的精度也就越大，這也對電路阻值的選定提出了要求 橋式電路阻值選擇在橋式電路中，由式（2-5）可知，若想使溫度在零度時輸出0V的模擬電壓，則的阻值應(yīng)等于鉑電阻在零攝氏度時的阻值。本設(shè)計選用的鉑電阻在零攝氏度時阻值為1k，所以的阻值也應(yīng)為1k。本設(shè)計主要應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境中，由于室內(nèi)溫度一般都高于零度，因此模擬電壓的輸出能夠保證是正電壓，不會由于輸出負電壓而對單片機造成損壞。由上面的推導(dǎo)可知，橋式電路中下方的兩塊電阻要求阻值完全相等，同時，

24、為了把輸入橋式電路使用的OP07運放芯片作為跟隨器，引入輸出電壓的反饋，我們希望這兩塊電阻的阻值，盡可能地大，如圖2-2所示為電路原理圖電橋部分：圖2-2 電橋部分電路原理圖圖中，U1和U2單元分別是6325芯片和OP07芯片，PT1和PT2是兩路鉑電阻，分別檢測反應(yīng)盤溫度和環(huán)境溫度，圖中右側(cè)的橋式電路是用于計算PT1阻值的電路。由于精密電阻JMR2的阻值很大，將使PT1鉑電阻負載的壓降非常小，如果將鉑電阻下端的電壓反饋到OP07的反相輸入端，其輸入電壓近似等于輸出電壓，形成跟隨器，使輸出電壓穩(wěn)定。在這里，橋式電路下方的兩塊電阻我們都選用常見的51k的精密電阻。 AD623的運放設(shè)計AD623

25、是一個低功耗的儀表放大器，其引腳說明如圖2-3所示：圖2-3 AD623引腳說明從圖中可以看出，AD623是將一個差分信號進行放大，通過使用者在1腳和8腳之間連接的電阻，調(diào)整電壓增益的大小，其公式為： （2-6）其中表示編程電阻的阻值，代表差分輸入電壓。通過式（2-5）和式（2-6）的計算，可以選擇360的精密電阻，該阻值的精密電阻同樣非常常見。至此，整個一路的溫度檢測電路中精密電阻的阻值就已經(jīng)選定，理論計算證實，當(dāng)溫度從零度變化到40時，模擬電路的輸出電壓在0V到2.4V之間，即使在調(diào)試中發(fā)生局部傳感器溫度過熱的情況，輸出電壓也不會高于2.5V，保護了單片的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。 誤差分析盡量在之前

26、的電路計算中，可以得到溫度和輸出電壓之間的關(guān)系，然而在實際使用中，由于精密電阻本身還是存在誤差，再加上在電路的分析中使用了近似的算法，必須結(jié)合具體的電路，實際測量輸出的電壓。測量時使用的電路板如圖2-4所示：圖2-4 溫控用測試電路板圖中電路板左側(cè)的紅色電阻為之前選定的精密電阻，四接口的插座用來連接鉑電阻，可以將鉑電阻置入溫度可控的液體中，同時用萬用表直接測量輸出的電壓值。如此測量獲得的溫度-電壓關(guān)系如表2-1所示：溫度/18.726.029.934.938.5電壓/V1.0261.4041.5951.8211.995表2-1 非同步測溫度-電壓關(guān)系從表2-1可知，電壓隨溫度的變化關(guān)系基本是線

27、性關(guān)系，但是在反復(fù)實驗中，發(fā)現(xiàn)測定結(jié)果總是發(fā)生波動。分析誤差產(chǎn)生原因，硬件的物理性質(zhì)和電氣性質(zhì)是固定的，使用的穩(wěn)壓電源供電也是穩(wěn)定的，那么就不應(yīng)該是由于實驗用具的重復(fù)性差導(dǎo)致的誤差問題。因此，誤差原因應(yīng)該是由于記錄溫度和電壓值的同時性的問題上。由于是人工觀察記錄，所以只能是先觀察溫度值并記錄，之后再拿起萬用表進行測量，在記錄電壓之前的這段時間里，可能溫度受到環(huán)境的擾動，已經(jīng)發(fā)生了變化，由此產(chǎn)生了誤差。為了解決這一問題，我們使用了安捷倫34970A多路采集器，可以利用計算機同時采樣多路數(shù)據(jù)，解決了測量同步性的問題，如圖2-5為安捷倫34970A多路采集器：圖2-5 安捷倫34970A多路采集器利

28、用該儀器測量得到的溫度-電壓關(guān)系如表2-2所示：溫度/30.54432.33534.44536.21636.360電壓/V1.5921.6721.7801.8471.867之前的實驗檢測的溫度都是反應(yīng)盤的溫度，然而控制溫度的最終目標(biāo)是控制反應(yīng)液的溫度，由于加熱片加熱的是反應(yīng)盤，因此反應(yīng)盤的溫度高于反應(yīng)液。在實際測量中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)盤與反應(yīng)液之間的溫度差隨環(huán)境溫度變化而變化。當(dāng)將反應(yīng)液放入恒溫箱中，在相對封閉的環(huán)境中進行測試，同時測量的目標(biāo)是反應(yīng)液的溫度，實驗裝置如圖2-6：圖2-6 反應(yīng)裝置放在恒溫箱中使用多路采集器測得反應(yīng)液溫度和電壓的關(guān)系如表2-3所示：溫度/26.61928.43430.30

29、132.65434.519電壓/V1.6081.7401.8612.0072.073 采集到數(shù)據(jù)點之后可以利用matlab進行線性回歸，得到近似的直線關(guān)系。由于在實際使用中，傳感器檢測的溫度基本在20到40攝氏度之間，所以之前線性回歸的近似計算中產(chǎn)生的誤差可以接受。2.3 三線制鉑電阻用法如果在鉑電阻的兩端各連接一條導(dǎo)線，之后接入到橋式電路中，那么兩條導(dǎo)線的電阻就會增加測量的鉑電阻的阻值。更嚴(yán)重的是，導(dǎo)線中電阻隨溫度的變化關(guān)系未知，當(dāng)測量溫度改變時，將會增加無法估計的誤差。為了解決這個問題，實際應(yīng)用中主要使用三線制鉑電阻，其接法如圖2-7所示。從圖中可知，鉑電阻引出的三根導(dǎo)線，一根的電阻作為輸

30、入電阻，另外兩根分別接入到了電橋的兩臂，使得兩臂導(dǎo)線電阻的阻值相等，這樣就消除了導(dǎo)線電阻造成的誤差。圖2-7 鉑電阻的三線制接法2.4溫度傳感遇到的問題（1）要控制反應(yīng)液的溫度，最好的辦法當(dāng)然是直接測量反應(yīng)液的溫度，但由于反應(yīng)杯中的液體要經(jīng)常更換，所以不可能將鉑電阻置于反應(yīng)液中，這樣不僅會污損鉑電阻，更有可能污損反應(yīng)液。所以使用鉑電阻取檢測反應(yīng)盤的溫度是一個較好的辦法，在實際控制中將反應(yīng)盤控制在高于目標(biāo)溫度的某一個值，就可以間接地控制反應(yīng)液的溫度。（2）鉑電阻要想精確地檢測反應(yīng)盤的溫度，就應(yīng)該充分與反應(yīng)盤接觸，但是固體與固體很難充分接觸，鉑電阻的某一部分總是有可能與空氣接觸，因此提出在反應(yīng)盤的

31、底部開槽，將鉑電阻放在槽中，上方放置反應(yīng)杯，這樣就使鉑電阻的溫度盡可能地和反應(yīng)盤相等。機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-8所示，實際結(jié)構(gòu)圖如圖2-9所示：(1)存儲環(huán)境：通常情況下，LED的儲存環(huán)境溫度應(yīng)在-40 +100 。所以在封裝LED時，有時為了使封裝膠快干或熒光粉快干，在溫度150 保存12小時。這對LED是否有影響，可以繼續(xù)展開實驗來證明。(2)工作溫度一般情況下，LED的工作溫度是-30 +80 ，但工作溫度與熱阻有關(guān)系?？偠灾?，LED在工作時，最好將它的PN結(jié)溫度保持在10 以下。(3)失效率：失效率是指一批LED器件在點亮后多長時間、有多少個出現(xiàn)“死燈”現(xiàn)象。這是衡量這批LED器件質(zhì)量

32、的關(guān)鍵指標(biāo)。若工作10小時內(nèi)無“死燈”現(xiàn)象出現(xiàn)，說明失效率較好，即失效率為0。(4)壽命：LED器件在正常工作條件下，半光衰時間越長，說明LED的壽命越長。按理論計算可達10萬小時以上。但目前由于材料、制造技術(shù)等方面原因，市場上的LED器件壽命只能達到23萬小時。隨著技術(shù)的不斷進步，LED器件的壽命會越來越長。但是如何快速測定半光衰時間，還有待于制造出通用的儀器進行測定。(5)防靜電：要做好的LED器件要注意防靜電。無論是在運輸狀態(tài)，還是在裝配過程中，都可能出現(xiàn)靜電帶來的損壞，要特別注意防靜電。一般LED做好后，雙極開路防靜電指標(biāo)應(yīng)在500 V之內(nèi)。(6)封裝結(jié)構(gòu)：LED是靠環(huán)氧樹脂等膠封裝起

33、來的。由于時間和化學(xué)作用，會使封裝膠的透光性變差。有時會使膠體變黃變濁，影響透光；有的會使膠?；扑椤＿@些都會使LED器件的性能發(fā)生變化，因此達不到原來的技術(shù)指標(biāo)，從而影響其出光效率和使用壽命。第3章 散熱原理3.1 熱的傳導(dǎo)方式 熱的傳導(dǎo)方式主要包括傳導(dǎo)、對流、輻射三種。 傳導(dǎo)（Conduction）傳導(dǎo)23，指的是分子之間的動能交換，即能量較低的粒子通過碰撞來交換能量的方式，是目前散熱的主要方式。單獨的一片散熱片時不能實現(xiàn)熱能的傳導(dǎo)的，傳導(dǎo)是散熱片散熱的最主要的途徑。熱傳導(dǎo)的基本公式是： (3-1)其中，Q：熱量，及熱傳導(dǎo)產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量；K：材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Ac：熱傳導(dǎo)過程中物的橫截

34、面積；T：物體傳導(dǎo)始末的溫度差；L：傳導(dǎo)過程中物體的傳導(dǎo)距離。從熱傳導(dǎo)公式我們可以發(fā)現(xiàn)熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、傳熱截面積成正比，同熱傳輸距離成反比。熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，傳遞面積越大，傳輸距離越短，熱傳導(dǎo)的能量就越高，越容易帶走熱量。 對流（Convection）對流是氣體或液體中較熱部分和較冷部分通過循環(huán)將來交換熱量，即熱源被氣體或者液體包圍，熱能透過周邊分子的移動來實現(xiàn)。當(dāng)一塊熱金屬板與冷液體(或者氣體)接觸時，靠近熱金屬板的流體模由于流體的熱傳導(dǎo)而溫度上升，流體膜溫度上升造成體積膨脹，以至于發(fā)生冷熱流體混合。對流分為強制對流(Forced Convection)和自然對流(Natural

35、Convection)。如果引起熱對流的原動力若為密度差(溫度差引起)，則此種熱對流成為自然對流。如果引起熱對流的原動力是外力因素，如風(fēng)扇等，則這種熱對流成為強制對流。熱對流的基本公式是： (3-2)其中，Q代表熱量，也就是熱對流所帶走的熱量；h是熱對流系數(shù)；A代表熱對流的有效接觸面積；T代表固體表面與區(qū)域流體之間的溫度差。根據(jù)熱對流公式可以發(fā)現(xiàn)熱量傳遞的數(shù)量通熱對流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比。熱對流系數(shù)越高、有效接觸面積越大、溫度差越高，帶走的熱量也越多。 輻射（Radiation）輻射，是指熱能從熱源以電磁形式(或光子)直接發(fā)射出去。輻射的傳熱效能取決于熱源的材料及表面的顏色。熱輻射

36、的基本公式是： (3-3)其中，Q：熱輻射交換的能量；：物體的表面的熱輻射系數(shù)，一般取5.710-8(W/m2K4)；A ：物體的表面積；(Ta-Tb)：表面a到b之間的溫差。根據(jù)熱輻射公式，我們可以看出，熱輻射功率與熱輻射系數(shù)、物體表面積大小以及溫差的4次方成正比。熱熱輻射在傳統(tǒng)光源尤其是熱輻射光源的熱量損失中占有很大的比重，但是LED的發(fā)光原理與傳統(tǒng)光源有很大的區(qū)別，熱輻射在其中所占的比重也很小，以一顆1W的功率型白光LED為例，取其穩(wěn)定工作狀態(tài)下的結(jié)溫為350 K，芯片面積為1 mm2，在不考慮芯片吸熱的情況下，我們可以計算其熱輻射功率： (3-4)我們可以發(fā)現(xiàn)熱輻射的功率大概是整個熱耗

37、散的功率的千分之一左右，因而，在LED燈具的散熱方式選擇上，熱輻射方式的影響可以忽略。3.2 散熱方式根據(jù)是否需要外界提供額外的能量，可以將散熱分為被動散熱和主動散熱兩種。 被動散熱被動式散熱24指依靠空氣的自然對流，通過散熱片將熱源產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小相關(guān)。雖然被動式散熱結(jié)構(gòu)相對比較簡單，很容易和燈具的機械結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，這樣就比較容易達到燈具的防護等級要求。并且被動式散熱整體成本相對比較低，因而是目前最廣泛使用的一種散熱方式。此外，被動式散熱不會引入額外的動力裝置，因而不會影響燈具整體的效率和壽命。因而，這種散熱方式是LED燈具，尤其是道路照明燈具中最常用的一

38、種方式。但是，這種散熱方式也有缺點，就是散熱效率不高，并且設(shè)計出的燈具因為有大量的散熱片，導(dǎo)致燈具過重。同時由于鰭片的存在，使得燈具外殼比較容易集灰，會降低燈具的維護系數(shù)。 主動散熱主動式散熱，指通過風(fēng)扇等散熱設(shè)備強迫性地將熱源產(chǎn)生的熱量從散熱片上帶走，其特點是散熱效率高，散熱器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，但是會增加額外的功耗，并且要考慮到燈具防護等級的要求。主動式散熱包括風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導(dǎo)體制冷、化學(xué)制冷等等。1、風(fēng)冷散熱風(fēng)冷散熱就是在LED散熱器上安裝風(fēng)扇，通過空氣強迫對流將熱量帶走。因此，要在允許的溫度條件下將LED耗散的熱量傳遞到熱沉(通常是大氣環(huán)境)，對流散熱的效果好壞是決定散

39、熱系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。由于對流散熱量的大小取決于散熱面積、對流散熱系數(shù)和傳熱溫差，因此提高散熱能力主要圍繞這三個方面進行。風(fēng)冷散熱就是通過提高風(fēng)速，改善氣流組織，來增大對流換熱系數(shù)的方法來強化傳熱。風(fēng)冷散熱雖然價格相對較低，安裝方便等。但是它對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響，而且風(fēng)扇體積大，噪聲明顯，容易受到灰塵等雜物的影響。2、液冷散熱液冷散熱是通過液體在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量。出于成本及易用性的考慮，液冷散熱通常采用水做為導(dǎo)熱液體，因此液冷散熱器也常常被稱為水冷散熱器。液冷散熱器具有很好的散熱效果，均衡了LED的熱量，并且工作噪音低。它的最大優(yōu)勢是導(dǎo)熱

40、速度快，熱容量大、降溫穩(wěn)定，且系統(tǒng)是一個循環(huán)散熱系統(tǒng)。但使用液冷散熱系統(tǒng)不方便，體積大，安裝麻煩，而且要防止漏水和結(jié)露現(xiàn)象，成本也非常高。3、熱管散熱熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，熱管有極高的導(dǎo)熱性，良好的等溫性，冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變，可遠距離傳熱，可控制溫度，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點。其導(dǎo)熱能力已遠遠超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。但是它也存在很多限制。如：流體的流量大于毛細輸送能力，會使毛細干燥，可能燒毀導(dǎo)管；蒸氣流速過大，超過液體表面張力，則會使液滴飛散

41、；當(dāng)所有流體都達沸騰汽化時，會降低傳熱的能力；而蒸氣流達音速時還會發(fā)生塞流現(xiàn)象；同時，低溫的蒸氣流動黏性力，使工作液體流動緩慢。4、半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷就是利用一種特制的半導(dǎo)體制冷片在通電時產(chǎn)生溫差來制冷，只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，則低溫端就不斷的被冷卻。在每個半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個表面形成一個溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對高溫端進行降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導(dǎo)體制冷具有自身體積小、制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點，冷面溫度可以達到零下10以下。但是半導(dǎo)體制冷成本太高，而且可能會因溫度過低導(dǎo)致CPU結(jié)露造成短路，而且現(xiàn)在半

42、導(dǎo)體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱谩?、化學(xué)制冷化學(xué)制冷，就是使用一些超低溫化學(xué)物質(zhì)，利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。比如使用干冰可以將溫度降低到零下20以下，還有一些更“變態(tài)”的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100以下（理論上），當(dāng)然由于價格昂貴和持續(xù)時間太短，這個方法多見于實驗室或極端的超頻愛好者。6、納米尺度傳熱利用熱離子發(fā)射以及熱隧穿效應(yīng)，通過采用獨特的工藝,將兩個表面的間距控制在納米量級,能夠?qū)崿F(xiàn)兩個大表面之間的電子隧穿，從而有效的降低了需要克服的勢壘。如果這種技術(shù)成熟的話，可以替代目前其他任何一種散熱技術(shù)。納米傳熱技術(shù)，是利用量子阱結(jié)

43、構(gòu)電子隧道作為主要冷卻機制，該技術(shù)特別之處在于電子是通過帶隙移動，通過偏置電壓，可以加強電子在一個方向上的移動，這樣熱量就可以從一端傳到另外一端，由于兩種材料之間存在一個帶隙，這種帶隙結(jié)構(gòu)不是某一種具有熱傳導(dǎo)性能的材料，是一種很好的絕熱層，這樣熱量一旦被捕捉在另外一端，就不會輕易產(chǎn)生回流的效應(yīng)。該技術(shù)的難點在于如果讓大量的電子通過空隙帶遷移到另外一端，如何使得兩種不同材料距離靠近的足夠讓帶有熱量電子從一種材料隧穿到另外一種材料。第4章 LED散熱分析4.1 LED散熱途徑概括起來，LED散熱(圖4-1)主要包括3個方面：(1)芯片結(jié)到外延層；(2)外延層到封裝基板；(3)封裝基板到外部冷卻裝置

44、。主要散熱方向雙層敷銅層的PCB大功率LED圖4-1 LED散熱途徑LED芯片是發(fā)熱主體，首先LED芯片的熱量通過LED芯片的基片再通過固晶方式傳遞至封裝熱沉（heat sink）上面，然后熱量通過熱沉傳遞至鋁基PCB上，最終鋁基PCB與金屬制散熱器結(jié)合，將熱量傳遞至燈具外部，到達空氣化境中。一般LED芯片的熱量最終到達空氣需要經(jīng)過25：LED封裝體焊錫鋁基板線路層導(dǎo)熱絕緣層鋁基板導(dǎo)熱硅脂散熱器。4.2 芯片封裝結(jié)構(gòu)和材料針對高功率LED的封裝散熱難題，國內(nèi)外器件的設(shè)計者和制造者分別在結(jié)構(gòu)和材料等方面對器件的熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。在封裝結(jié)構(gòu)上，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、

45、微流陣列結(jié)構(gòu)等；在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘帖材料，用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂。為了解決高功率LED 的封裝散熱難題，國際上開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)。4.2.1封裝結(jié)構(gòu)目前主要有以下三種類型。硅基倒裝芯片(FCLED) 結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的LED采用正裝結(jié)構(gòu), 上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂，下面采用藍寶石作為襯底。由于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱能力很差，藍寶石又是熱的不良導(dǎo)體，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。因此前后兩方面都造成散熱的難題，影響了器件的性能和可靠性。2001 年, LumiLeds 公司研制出了AIGalnN 功率型倒裝芯片結(jié)構(gòu)，如圖4-2所示，LED 芯片通過凸點倒裝連接到硅基上。這樣熱量不必經(jīng)由芯片的藍

46、寶石襯底，而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發(fā)光區(qū)更接近于散熱體，可降低內(nèi)部熱沉熱阻26。這種結(jié)構(gòu)的熱阻理論計算最低可達到1134 K/ W，實際做到68 K/ W，出光率也提高了60 %左右。但是, 熱阻與熱沉的厚度成正比的，受硅片機械強度與導(dǎo)熱性能所限，很難通過減薄硅片來進一步降低內(nèi)部熱沉的熱阻，制約了其傳熱性能的進一步提高。藍寶石襯底散熱管座a.正裝的芯片藍寶石襯底硅基散熱管座b.倒裝的芯片圖4-2 LED不同的封裝結(jié)構(gòu)基于金屬線路板結(jié)構(gòu)。金屬線路板結(jié)構(gòu)利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導(dǎo)性質(zhì)，將芯片封裝到覆有幾毫米厚的銅電極的PCB 板上，或者將芯片封裝在金屬夾芯

47、的PCB 板上，然后再封裝到散熱片上來解決散熱問題，如圖4-3所示。芯片粘貼材料導(dǎo)熱膠外部熱沉PCB圖4-3 LED金屬線路板結(jié)構(gòu)微泵浦結(jié)構(gòu)。2006 年Sheng Liu 等人通過在散熱器上安裝一個微泵浦系統(tǒng)來解決LED 的散熱問題，在封閉系統(tǒng)中，水在微泵浦的作用下進入LED 的底板小槽吸熱，然后又回到小的水容器中，通過風(fēng)扇吸熱。這種微泵浦結(jié)構(gòu)(圖4-4)可以將外部熱阻降為1192 K/ W29 。這種微泵結(jié)構(gòu)的制冷性較好，但如前兩種結(jié)構(gòu)一樣，如果內(nèi)部接口熱阻很大，則其熱傳導(dǎo)就會大打折扣，此外，其結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。LED芯片基板熱沉水流微泵風(fēng)扇圖4-4 微泵浦結(jié)構(gòu)4.2.2封裝材料封裝結(jié)構(gòu)確定后

48、，可以通過選取不同的材料進一步的降低系統(tǒng)的熱阻，提高系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能。目前國內(nèi)外常針對基板材料、粘貼材料和封裝材料進行擇優(yōu)。基板材料。對于大功率的LED 而言，為了解決芯片材料與散熱材料之間因熱膨脹失配造成電極引線斷裂的問題，可以選用陶瓷、Cu/Mo 板和Cu/W板等合金作為散熱材料。但這些合金生產(chǎn)成本過高，不利于大規(guī)模、低成本生產(chǎn)。選用導(dǎo)熱性能好的鋁板、銅板作為散熱基板材料是當(dāng)前研究的重點之一30。芯片粘結(jié)材料。選用合適的芯片襯底粘貼材料并在批量生產(chǎn)工藝中保證粘貼厚度盡量小，對保證器件的熱導(dǎo)特性是十分重要的。通常選用導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電型銀漿、錫漿和金錫合金焊料這四種材料進行粘結(jié)。導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱特性較差。

49、導(dǎo)電型銀漿既有良好的熱導(dǎo)特性，又有較好的粘貼強度，但由于銀漿在提升亮度的同時會發(fā)熱，且含鉛等有毒金屬，因此并不是粘貼材料的最佳選擇。導(dǎo)電錫漿和銀漿相似，由于含有鉛、六價鉻等重金屬，不符合ROHS 標(biāo)準(zhǔn)。與前三者相比，金錫合金焊料的熱導(dǎo)特性是四種材料中最優(yōu)的，導(dǎo)電性能也非常優(yōu)越31，但需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C械設(shè)計才能達到高精度的固晶。環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂作為LED 器件的封裝材料，具有優(yōu)良的電絕緣性能、密著性和介電性能，但環(huán)氧樹脂具有吸濕性、易老化、耐熱性差、高溫和短波光照下易變色，而且在固化前有一定的毒性，固化的內(nèi)應(yīng)力大，對LED 器件壽命造成影響32。 目前許多LED 封裝業(yè)者改用硅樹脂和陶瓷代替環(huán)氧樹

50、脂作為封裝材料，以提高LED 的壽命?？偟恼f來，低熱阻、散熱良好及低機械應(yīng)力的新式封裝結(jié)構(gòu)是封裝體的技術(shù)關(guān)鍵。結(jié)點到周圍環(huán)境的熱傳導(dǎo)方式有三種：傳導(dǎo)、對流、輻射。不同的結(jié)構(gòu)和材料均需要解決三個環(huán)節(jié)的散熱問題：芯片結(jié)到外延層、外延層到封裝基板、封裝基板到冷卻裝置。這三個環(huán)節(jié)構(gòu)成固態(tài)照明光源熱傳導(dǎo)的通道，其中任何薄弱環(huán)節(jié)失敗都會使LED 光源毀于一旦。也就是說，要想將功率LED 的散熱性能和可靠性提升到最高，三個環(huán)節(jié)都需要采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料。4.3 散熱片 各種金屬的熱導(dǎo)系數(shù)熱導(dǎo)系數(shù)直接影響著散熱片的導(dǎo)熱能力，它是散熱片最重要的參數(shù)。選擇具有良好導(dǎo)熱性能的材料是散熱片設(shè)計最首要的任務(wù)。常見金屬的

51、熱導(dǎo)系數(shù)如表4-1所示。表4-1 常見金屬熱導(dǎo)系數(shù)表材料熱導(dǎo)系數(shù)(w/mk)碳鋼39.236.7黃銅109鋁合金162銀427鋅121純銅398純鋁236純鐵81.8金298從表中我們可以看出，金、銀熱傳導(dǎo)性良好，但是價格太高。銅的熱傳導(dǎo)率也極高，但是重量是鋁的三倍左右，且很加工性很差，但是用銅做為散熱片的底部可提升熱傳擴散的效率，降低熱阻值。傳統(tǒng)的散熱片的材料為鋁，成本低，且加工性能良好。但是純鋁的硬度不足，且金屬切削性能差，在生產(chǎn)實際中多采用鋁合金來制造散熱片。表4-2為幾種鋁合金熱導(dǎo)系數(shù)：表4-2 常見鋁合金熱導(dǎo)系數(shù)表材料熱導(dǎo)系數(shù)(w/mk)特性AA6061型鋁合金155熱傳導(dǎo)和加工均良

52、好，常做散熱片AA6063型鋁合金 201ADC12型鋁合金 96加工機械性能好AA1070型鋁合金 226AA1050型鋁合金 209較好的延展性，常做鰭片 散熱片的形狀散熱片的形狀可以設(shè)計成多種形狀，如圓柱陣列、條形陣列、金字塔形狀等，這些都是為了通過改變結(jié)構(gòu)來使用最少的材料獲得最好的散熱效果。圖4-5為不同形狀的散熱片。（a）(b)(d)(c)(f)(e) 圖4-5 不同形狀的散熱片 散熱片設(shè)計的一般原則散熱片的設(shè)計有很多方法，這里主要介紹散熱片設(shè)計的一般方式和強制對流散熱片設(shè)計方法。首先介紹散熱片設(shè)計的一般方式，這些簡單的方法可以對一些應(yīng)用簡單的散熱片設(shè)計提供設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)： (1)包絡(luò)體積

53、的觀念所謂包絡(luò)體積是指散熱片所占的體積，如果發(fā)熱功率大， 所需的散熱片體積就比較大。散熱片的設(shè)計可就包絡(luò)體積做初步的設(shè)計，然后再就散熱片的細部如鰭片及底部尺寸做詳細設(shè)計。發(fā)熱瓦數(shù)和包絡(luò)體基的關(guān)系如下式所示。 (4-1)(2)散熱片底部厚度要使得散熱片效率增加，散熱片底部厚度有很大的影響，散熱片底部必須夠厚才能使足夠的熱能順利的傳到所有的鰭片，使得所有鰭片有最好的利用效率。然而太厚的底部除了浪費材料，也會造成熱的累積反而使熱傳能力降低。良好的底部厚度設(shè)計必須由熱源部分厚而向邊緣部份變薄，如此可使散熱片由熱源部份吸收足夠的熱向周圍較薄的部份迅速傳遞。散熱瓦數(shù)和底部厚度的關(guān)系如下所示： (4-2)

54、(3)鰭片形狀：散熱片內(nèi)部的熱藉由對流及輻射散熱，而對流部分所占的比例非常高，輻射基本忽略不計。a.間隔散熱片的壁面會因為表面的溫度變化而產(chǎn)生自然對流，造成壁面的空氣層(邊界層)流，空氣層的厚度約2 mm，鰭片間格需在4 mm 以上才能確保自然對流順利。但是卻會造成鰭片數(shù)目減少而減少散熱片面積。鰭片間格變狹窄，自然對流發(fā)生減低，降低散熱效率。鰭片間格變大，鰭片變少，表面積減少。 b.鰭片角度鰭片角度約三度。 c.鰭片厚度當(dāng)鰭片的形狀固定，厚度及高度的平衡變得很重要，特別是鰭片厚度薄高的情況，會造成前端傳熱的困難，使得散熱片即使體積增加也無法增加效率。散熱片變短時，增加表面積會增加散熱效率，但也會使散熱片的體積減少而造成的缺點(熱容量減少)因而產(chǎn)生。因此鰭片長度需保持一定才能產(chǎn)生效果。鰭片變薄,鰭片傳熱到頂端能力變?nèi)?；鰭片變厚，鰭片數(shù)目減少(表面積減少)；鰭片增高，鰭片傳到頂端能力變?nèi)?體積效率變?nèi)?,鰭片變短，表面積減少