精選艾默生熱設計規(guī)范

1、結構設計標準標準編碼：版本：V2.0密級：秘密艾默生網絡能源研發(fā)部執(zhí)筆人：李泉明頁碼：第 PAGE 33 頁 共 NUMPAGES 82 頁通用設計標準標準編碼：版本：V1.0密級：ENP研發(fā)部執(zhí)筆人：頁數(shù)：共兩局部：1. 電子設備的自然冷卻熱設計標準2. 電子設備的強迫風冷熱設計標準電子設備的自然冷卻熱設計標準2023/05/01 發(fā)布 2023/05/01 實施 艾默生網絡能源有限公司修訂信息表版本修訂人修訂時間修訂內容新擬制李泉明1999年01月01日V2.0李泉明2023年05月01日更改模板，增加局部新內容，重新在結構室標準下歸檔目錄 TOC o 1-3 h z HYPERLINK

2、l _Toc72557336 目錄 PAGEREF _Toc72557336 h 3 HYPERLINK l _Toc72557337 前言 PAGEREF _Toc72557337 h 5 HYPERLINK l _Toc72557338 1目的 PAGEREF _Toc72557338 h 6 HYPERLINK l _Toc72557339 2 適用范圍 PAGEREF _Toc72557339 h 6 HYPERLINK l _Toc72557340 3 關鍵術語 PAGEREF _Toc72557340 h 6 HYPERLINK l _Toc72557341 4引用/參考標準或資料

3、 PAGEREF _Toc72557341 h 7 HYPERLINK l _Toc72557342 5 標準內容 PAGEREF _Toc72557342 h 7 HYPERLINK l _Toc72557343 5.1 遵循的原那么 PAGEREF _Toc72557343 h 7 HYPERLINK l _Toc72557344 5.2 產品熱設計要求 PAGEREF _Toc72557344 h 8 HYPERLINK l _Toc72557345 5.2.1產品的熱設計指標 PAGEREF _Toc72557345 h 8 HYPERLINK l _Toc72557346 5.2.2

4、 元器件的熱設計指標 PAGEREF _Toc72557346 h 8 HYPERLINK l _Toc72557347 5.3 系統(tǒng)的熱設計 PAGEREF _Toc72557347 h 9 HYPERLINK l _Toc72557348 5.3.1 常見系統(tǒng)的風道結構 PAGEREF _Toc72557348 h 9 HYPERLINK l _Toc72557349 5.3.2 系統(tǒng)通風面積的計算 PAGEREF _Toc72557349 h 10 HYPERLINK l _Toc72557350 5.3.3 戶外設備(機柜)的熱設計 PAGEREF _Toc72557350 h 11

5、HYPERLINK l _Toc72557351 5.3.3.1 太陽輻射對戶外設備(系統(tǒng))的影響 PAGEREF _Toc72557351 h 11 HYPERLINK l _Toc72557352 5.3.3.2 戶外柜的傳熱計算 PAGEREF _Toc72557352 h 13 HYPERLINK l _Toc72557353 5.3.4 系統(tǒng)前門及防塵網對系統(tǒng)散熱的影響 PAGEREF _Toc72557353 h 15 HYPERLINK l _Toc72557354 5.4 模塊級的熱設計 PAGEREF _Toc72557354 h 15 HYPERLINK l _Toc725

6、57355 5.4.1 模塊損耗的計算方法 PAGEREF _Toc72557355 h 15 HYPERLINK l _Toc72557356 5.4.2 機箱的熱設計 PAGEREF _Toc72557356 h 15 HYPERLINK l _Toc72557357 5.4.2.1 機箱的選材 PAGEREF _Toc72557357 h 15 HYPERLINK l _Toc72557358 5.4.2.2 模塊的散熱量的計算 PAGEREF _Toc72557358 h 15 HYPERLINK l _Toc72557359 5.4.2.3 機箱輻射換熱的考慮 PAGEREF _To

7、c72557359 h 16 HYPERLINK l _Toc72557360 5.4.2.4 機箱的外表處理 PAGEREF _Toc72557360 h 17 HYPERLINK l _Toc72557361 5.5 單板級的熱設計 PAGEREF _Toc72557361 h 17 HYPERLINK l _Toc72557362 5.5.1 選擇功率器件時的熱設計原那么 PAGEREF _Toc72557362 h 17 HYPERLINK l _Toc72557363 5.5.2 元器件布局的熱設計原那么 PAGEREF _Toc72557363 h 17 HYPERLINK l _

8、Toc72557364 5.5.3 元器件的安裝 PAGEREF _Toc72557364 h 18 HYPERLINK l _Toc72557365 5.5.4 導熱介質的選取原那么 PAGEREF _Toc72557365 h 19 HYPERLINK l _Toc72557374 5.5.5 PCB板的熱設計原那么 PAGEREF _Toc72557374 h 20 HYPERLINK l _Toc72557375 5.5.6 安裝PCB板的熱設計原那么 PAGEREF _Toc72557375 h 22 HYPERLINK l _Toc72557376 5.5.7 元器件結溫的計算 P

9、AGEREF _Toc72557376 h 22 HYPERLINK l _Toc72557377 5.6 散熱器的選擇與設計 PAGEREF _Toc72557377 h 23 HYPERLINK l _Toc72557378 5.6.1散熱器需采用的自然冷卻方式的判別 PAGEREF _Toc72557378 h 23 HYPERLINK l _Toc72557379 5.6.2 自然冷卻散熱器的設計要點 PAGEREF _Toc72557379 h 23 HYPERLINK l _Toc72557384 5.6.3 自然冷卻散熱器的輻射換熱考慮 PAGEREF _Toc72557384

10、h 24 HYPERLINK l _Toc72557385 5.6.4 海拔高度對散熱器的設計要求 PAGEREF _Toc72557385 h 24 HYPERLINK l _Toc72557386 5.6.5 散熱器散熱量計算的經驗公式 PAGEREF _Toc72557386 h 25 HYPERLINK l _Toc72557387 5.6.6強化自然冷卻散熱效果的措施 PAGEREF _Toc72557387 h 25 HYPERLINK l _Toc72557388 6 產品的熱測試 PAGEREF _Toc72557388 h 25 HYPERLINK l _Toc7255738

11、9 6.1 進行產品熱測試的目的 PAGEREF _Toc72557389 h 25 HYPERLINK l _Toc72557390 6.1.1熱設計方案優(yōu)化 PAGEREF _Toc72557390 h 26 HYPERLINK l _Toc72557391 6.1.2熱設計驗證 PAGEREF _Toc72557391 h 26 HYPERLINK l _Toc72557392 6.2熱測試的種類及所用的儀器、設備 PAGEREF _Toc72557392 h 26 HYPERLINK l _Toc72557393 6.2.1溫度測試 PAGEREF _Toc72557393 h 26

12、HYPERLINK l _Toc72557394 7 附錄 PAGEREF _Toc72557394 h 27 HYPERLINK l _Toc72557395 7.1 元器件的功耗計算方法 PAGEREF _Toc72557395 h 27 HYPERLINK l _Toc72557396 7.2 散熱器的設計計算方法 PAGEREF _Toc72557396 h 29 HYPERLINK l _Toc72557397 7.3自然冷卻產品熱設計檢查模板 PAGEREF _Toc72557397 h 30前言 本標準由艾默生網絡能源有限公司研發(fā)部發(fā)布實施，適用于本公司的產品設計開發(fā)及相關活動。

13、本標準替代以前公司的同名標準，老版本的同名標準一律廢除。本標準更換了新的模板，并根據公司產品開發(fā)需求的變化及已積累的設計經驗增加了新的內容。本標準由我司所有的產品開發(fā)部門遵照執(zhí)行。本標準于 2023/05/01 批準發(fā)布；本標準擬制部門： 結構設計中心 ；本標準擬制人： 李泉明 ；審核人： 張士杰 ；本標準標準化審查人：數(shù)據管理中心；本標準批準人：研發(fā)管理辦；第 PAGE 5 頁 共 NUMPAGES 1 頁1目的建立一個電子設備在自然冷卻條件下的熱設計標準，以保證設備內部的各個元器件如開關管、整流管、IPM模塊、整流橋模塊、變壓器、濾波電感等的工作溫度在規(guī)定的范圍內，從而保證電子設備在設定的

14、環(huán)境條件下穩(wěn)定、平安、可靠的運行。2 適用范圍本熱設計標準適用于自然冷卻電子設備設計與開發(fā)，主要應用于以下幾個方面：機殼的選材結構設計與布局器件的選擇散熱器的設計與選用通風口的設計、風路設計熱路設計3 關鍵術語3.1 熱環(huán)境設備或元器件的外表溫度、外形及黑度，周圍流體的種類、溫度、壓力及速度，每一個元器件的傳熱通路等情況3.2 熱特性設備或元器件溫升隨熱環(huán)境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。3.3導熱系數(shù)( w/m.k)表征材料熱傳導性能的參數(shù)指標，它說明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的導熱量。3.4 對流換熱系數(shù) w/m2.k對流換熱系數(shù)反映了兩種介質間對流換熱過程的強弱，說明了

15、當流體與壁面間的溫差為1時，在單位時間通過單位面積的熱量。3.5 熱阻(/w)反映介質或介質間傳熱能力的大小，說明了1W熱量所引起的溫升大小。 3.6 雷諾數(shù)Re雷諾數(shù)的大小反映了流體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)的一個相似準那么。3.7 普朗特數(shù)(Pr)普朗特數(shù)是說明流體物理性質對換熱影響的相似準那么。3.8 格拉曉夫數(shù)(Gr)格拉曉夫數(shù)反映了流體所受的浮升力與粘滯力的相對大小，是說明自然對流換熱強度的一個相似準那么。3.9 定性溫度確定對流換熱過程中流體物理性質參數(shù)的溫度。3.10 肋片的效率表示某擴展外表單位面積所能傳遞的熱量與同樣條件下光壁所能傳遞的熱量之比。3

16、.11黑度實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，它取決于物體種類、外表狀況、外表溫度及外表顏色。3.12 外部環(huán)境溫度的定義自冷時指距設備各主要外表80mm處的溫度平均值；強迫風冷使用風扇時指距離空氣入口80200mm截面的溫度平均值。3.13 機箱外表的溫度定義機箱外表溫度指在機箱各外表幾何中心處的溫度。 3.14 設備風道的進、出口風溫的定義冷卻空氣入口、出口溫度指在入口或出口處與風速方向垂直的截面內各點溫度的平均值。3.15 冷板散熱器指采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片工藝成型的齒間距較密、寬高比擬大的散熱器。3.16 太陽輻射強度 太陽輻射強度指1m2黑體外表在太陽照射下所獲得的熱

17、量值，單位為W/m2.4引用/參考標準或資料以下標準包含的條文，通過在本標準中引用而構本錢標準的條文。在標準出版時，所示版本均為有效。所有標準都會被修訂，使用本標準的各方應探討使用以下標準最新版本的可能性。GBxxxxx-89 電力半導體器件用散熱器使用導那么GB11456-89 電力半導體器件用型材散熱器技術條件GJB/Z27-92 國家軍用標準匯編,電子設備可靠性設計手冊 GB/T 12993-91 電子設備熱性能評定電子設備結構設計標準手冊TS-S0E0199002電子設備的自然冷卻熱設計標準V1.0分散式散熱產品的熱設計標準5 標準內容5.1 遵循的原那么5.1.1進行產品的熱設計應與

18、電氣設計、結構設計同時進行，平衡熱設計、結構設計、電氣設計各種需求。5.1.2 熱設計應遵循相應的國際、國內標準、行業(yè)標準、公司標準。5.1.3 熱設計應滿足產品的可靠性要求，以保證設備內的元器件均能在設定的熱環(huán)境中正常工作，并保證到達設定的MTBF指標。5.1.4 各個元器件的參數(shù)選擇、安裝位置與方式必須符合散熱要求。5.1.4.1元器件的發(fā)熱外表與散熱外表之間的接觸熱阻應盡可能小。5.1.4.2 根據元器件的損耗大小及溫升要求確定是否加裝散熱器。5.1.4.3 模塊的控制回路中盡可能加裝溫度繼電器、壓力繼電器等熱保護回路，以提高系統(tǒng)的可靠性。5.1.5 在進行熱設計時，應考慮相應的設計冗余

19、，以防止在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。5.1.6 熱設計應考慮產品的經濟性指標，在保證散熱的前提下使其結構簡單、可靠且體積最小、本錢最低。5.1.7 采用自然冷卻的條件：常壓下單位面積的最大功耗：小于0.024-0.039w/cm2，上限適應于通風條件較惡劣的情況，下限適應于通風條件較好的場合。5.2 產品熱設計要求5.2.1產品的熱設計指標5.2.1.1 散熱器的外表溫度最高處的溫升應小于50. 5.2.1.2 模塊內部空氣的平均溫升應小于25。5.2.2 元器件的熱設計指標元器件的熱設計指標應符合TS-S0A0204001?器件應力降額標準?，具體指標如下：5.

20、2.2.1 功率器件的工作結溫應小于最大結溫的(0.5-0.8)倍 對額定結溫為175的功率器件, 工作結溫小于140. 對額定結溫為150的功率器件, 工作結溫小于120. 對額定結溫為125的功率器件, 工作結溫小于100. 5.2.2.2 碳膜電阻120 金屬膜電阻100壓制線繞電阻 150 涂剝線繞電阻 225 5.2.2.3 變壓器、扼流圈外表溫度 A級 90 B級 110 F級 150 H級 180 5.2.2.4 電容器的外表溫度 紙質電容器 75-85 電解電容器 65-80 薄膜電容器 75-85 云母電容器 75-85 陶瓷電容器 75-855.3 系統(tǒng)的熱設計5.3.1

21、常見系統(tǒng)的風道結構5.3.1.1系統(tǒng)風道設計的一些根本原那么：進、出風口盡量遠離，以強化煙囪效果。出風口盡可能設計在系統(tǒng)的頂部。在機柜的面板、側板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔，以利于形成有效的煙囪。系統(tǒng)后部應留一定空間以利于氣流順暢流出。為了防止下部熱源對于上層熱源的影響，可采用隔板形成獨立風道。為了防止熱空氣流入配電單元而影響其可靠性，可把氣流風道隔離，形成完整、獨立的風道。 5.3.1.2一些典型的風道結構風道1系統(tǒng)為自然對流獨立散熱風道，機柜出風口在后門的頂部或頂部。模塊或插框自然冷卻。機柜后面的風道要求有足夠的寬度，通常推薦大于200mm以上。配電單元如果位于系統(tǒng)頂部，需與風道隔

22、離，以防止熱空氣對配電元器件的影響。除進、出風口外，其它部位須完全密封。系統(tǒng)為自然對流獨立散熱風道，機柜出風口在后門的頂部或頂部。模塊或插框強迫風冷且必須為上下風道。機柜后面的風道要求有足夠的寬度，通常推薦大于200mm以上。配電單元如果位于系統(tǒng)頂部，需與風道隔離，以防止熱空氣對配電元器件的影響。除進、出風口外，其它部位須完全密封。 風道2風道3系統(tǒng)為自然對流獨立散熱風道，機柜出風口在后門的頂部或頂部。模塊或插框為前后通風冷卻。機柜后面的風道要求有足夠的寬度，通常推薦大于200mm以上。配電單元如果位于系統(tǒng)頂部，需與風道隔離，以防止熱空氣對配電元器件的影響。除進、出風口外，其它部位須完全密封。

23、系統(tǒng)為自然對流獨立散熱風道，機柜出風口在后門的頂部或頂部。模塊或插框強迫風冷且必須為上下風道。機柜后面的風道要求有足夠的寬度，通常推薦大于200mm以上。配電單元如果位于系統(tǒng)頂部，需與風道隔離，以防止熱空氣對配電元器件的影響。除進、出風口外，其它部位須完全密封。 圖1 典型系統(tǒng)風道結構示意圖5.3.2 系統(tǒng)通風面積的計算系統(tǒng)進風口的面積大小按下式計算： S=Q/(7.410-5Ht1.5) (1) s-通風口面積的大小，cm2 Q-機柜內總的散熱量，W H-機柜的高度，cm t=t2-t1-內部空氣溫度t2與外部空氣溫度 t1 之差 ， 出風口的面積大小應為進風口面積大小的1.5-2倍；5.3

24、.3 戶外設備(機柜)的熱設計5.3.3.1 太陽輻射對戶外設備(系統(tǒng))的影響5.3.3.1.1 太陽輻射強度及其影響因素戶外柜由于處于室外，太陽輻射將是其熱設計必須考慮的重要一環(huán)。到達地面的太陽輻射主要受大氣層厚度的影響，大氣層越厚，對太陽輻射的吸收、反射和散射就越嚴重，到達地面的太陽輻射就越少。此外大氣的狀況和大氣的質量對到達地面的太陽輻射也有影響。到達地面的太陽輻射強度的大小，主要取決于地球對太陽的相對運動，也就是取決于被照射地點與太陽射線形成的高度角和太陽光線通過大氣層的厚度，顯然地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣象條件下到達地面的太陽輻射強度都是不相同的。到達地面的太陽輻射有兩局部：直

25、接輻射 太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射。太陽直接輻射的強弱和許多因子有關，其中，最主要的是太陽高度角(直射或斜射)，其次為大氣透明度，或者說，太陽輻射(直射時)經過大氣的路程愈短，被大氣削弱的愈少，到達地面的太陽輻射愈多；反之，愈少。一天當中，日出、日沒時太陽高度最小，直接輻射最弱；中午太陽高度角最大，直接輻射最強。在一年當中，直接輻射在夏季最強，冬季最弱。以緯度而言，低緯度地區(qū)一年各季太陽高度角都很大，地外表得到的直接輻射就比中、高緯度地區(qū)大得多。散射輻射 太陽高度角增大時，到達地面層的直接輻射增強，散射輻射也就相應地增強；相反，太陽高度角減小時，散射輻射也弱。太陽

26、經過大氣路程長，參與散射作用的質點增多，散射輻射增強；相反，減弱。云也能強烈地增大散射輻射。陰天的散射輻射比晴天強。一日內正午前后散射輻射最強，一年內夏季最強。總輻射 同時到達地面(水平面)的太陽直接輻射和散射輻射之和，稱為總輻射。5.3.3.1.2 戶外柜外表所吸收的太陽輻射熱當太陽射線照射到戶外柜外表時，一局部被吸收，一局部被反射，二者的比例取決于外表材料的種類、粗糙度和顏色，外表愈粗糙、顏色愈深，吸收的太陽輻射熱愈多。同一材料對于不同波長的輻射光的吸收率也是不同的，黑色外表對各種波長的輻射幾乎全部吸收，而白色外表對不同波長的吸收率不同，對于可見光幾乎90%都反射回去，所以戶外柜外表最好為

27、白色和相近色，以減少進入戶外柜內部的太陽輻射熱。表1列舉出了常用戶外柜材料及外表顏色的吸收率和發(fā)射率。表2列舉出了建筑常材料及外表顏色的吸收率和發(fā)射率。表1常用戶外柜材料及外表顏色的吸收率和發(fā)射率SURFACEShortwave (solar) absorptanceLongwave emittancePolished Aluminum0.030.05Oil-Based Paints:White0.20.9Light Green0.50.9Light Gray0.750.9表2 常用建筑材料及外表顏色的吸收率和發(fā)射率戶外柜外表所吸收的太陽輻射熱按式(2)進行計算。Q = solQsun(2)

28、其中：Q戶外柜外表所吸收的總太陽輻射熱，W sol戶外柜外表的太陽短波吸收率Qsun照射到戶外柜外表的總太陽輻射熱，W，包括太陽直射、散射到戶外柜外表以及周圍其它外表反射的太陽輻射熱(開放式空間除外)。QsunI0A I0太陽輻射強度，W/m2,從當?shù)氐臍庀筚Y料中查取。 A戶外柜被太陽照射到的外表積，m2 5.3.3.2 戶外柜的傳熱計算 戶外柜的傳熱模型可以簡化為如圖2所示的熱阻網絡。圖2 戶外柜傳熱簡化模型其傳熱路徑包括兩個局部：路徑一：戶外柜內部生成的熱量通過對流及輻射傳給戶外柜內外表，再通過夾層材料(如空氣、海面、泡沫等)的導熱傳到戶外柜外外表，最后通過對流及輻射傳給周圍的大氣。路徑二

29、：戶外柜外外表吸收了太陽輻射的熱量，一局部通過對流及輻射傳給周圍大氣，另一局部那么通過夾層材料(如空氣、海面、泡沫等)的導熱傳到戶外柜內。要保持戶外柜內的溫度Ti恒定，進入戶外柜的熱量加上內部生成的熱量應等于戶外柜外表的散熱量。如果不能夠平衡，那么需要借助熱交換器或空調來強制維持熱量的平衡，保證內部溫度到達設計要求并保持恒定。戶外柜傳熱計算的目的就是要計算出需要依靠熱交換器或空調來強制維持熱量平衡的凈熱量Qnet。依據熱網絡圖2給出的傳熱方程式為：Ti - Tair = RiQi + RoQi + RoQ - Ro/RradTair - Tsky.(3)l/Ro = l/Rconv + l/R

30、radQ戶外柜吸收的太陽輻射的熱量，W，Q = solQsunQsun太陽輻射的總熱量，WTi戶外柜內部允許的環(huán)境溫度，Tair戶外柜周圍的外部環(huán)境溫度，Tsky戶外柜遠處的環(huán)境溫度， Ro戶外柜外外表的總熱阻，、WRconv戶外柜外外表的對流熱阻，/WRrad戶外柜外外表向周圍環(huán)境及大氣的輻射熱阻，/WRi戶外柜外內外表的熱阻，/Wsol戶外柜外表的太陽輻射吸收率 具體計算方法按照表3提供的小程序即可快速計算出冷卻所需的凈熱量Qnet。表3 太陽輻射熱負荷計算表Sun Load Calculation for the Outside CabinetSolar radiation parame

31、tersSolar radiationSolar tensity(W/m2):1120Sunshine or Shadow AreaArea sunshine(m2):1.8Area shadow(m2):1.44Coefficient(refer to right table)Absorbtance of the outter surface():0.2Emittance of the outter surface():0.9Constant CoefficientStefan-Boltzmann Coefficient5.67E-08Input ParametersDimensions o

32、f the CabinetWidth(mm):600Depth(mm):600Height(mm):1200Heat Transfer CoefficientOutside natural convection coefficient(1 W/m2C):3Inside forced convection coefficient(2 W/m2C):40Ambient TemperatureOutside ambient temperature(Toutside-ambient):40Inside ambient temperature(Tinside-ambient):55Cabinets Wa

33、ll PropertyThickness of the outside plane(mm):3Heat conductivity of the outside plane(W/mC):180Thickness of the insulated material(mm):7Heat conductivity of the insulated material(W/mC):0.033Ouput ParametersTemperature of the Wall (Sunshine)Inside temperature of the wall Tinside-wall (C):55.56Outsid

34、e temerature of the wall Toutside-wall (C):60.34Temperature of the Wall (Shadow)Inside temperature of the wall Tinside-wall (C):53.911E-07Outside temerature of the wall Toutside-wall (C):44.640.0 Sun LoadAbsorbed heat from the sun(W):403.20403.2Convection heat transfer to the ambientSunshine side(W)

35、:109.84Shadow side(W):20.05Rediation heat transfer to the ambientSunshine side(W):252.83Shadow side(W):42.84Heat transfer in the cabinet from the sun in the sunshine side(W):40.53Total amount of Heat Net Inrease from the sun to the cabinetQnet (W):(22.36)Note: 1When run this program, firstly fill in

36、 the input parameters and select the surface color of the cabinet, then wirte the data of right table to the C6 and C7. Secondly, make the value of D30 equal to the C30 by changing the value of C27. Thirdly, make the value of D28 equal to D29, i.e 0.0, by changing the value of C29. Finally, enjoy th

37、e results at the line 35 or line 36.(2)If this value is less than 0.0, that means the outter surface of the cabinet has so good heat transfer performance that it can decrease the heat load of heat exchanger.5.3.4 系統(tǒng)前門及防塵網對系統(tǒng)散熱的影響 如果前門的進風口位置滿足要求，并且進風面積足夠，一般來講，開門與關門有約2-5差異。 如果需在系統(tǒng)上加防塵網，即使采用粗效的防塵網，也將帶來

38、5-10的差異。5.4 模塊級的熱設計5.4.1 模塊損耗的計算方法模塊的損耗可由下式計算. Pdiss=(1/-1)Pout(4)Pdiss - 模塊的損耗,W Pout-模塊的輸出功率,W-模塊的效率功率損耗Pdiss是由于發(fā)熱器件的發(fā)熱而引起的，這些發(fā)熱器件包括開關管MOSFET，IGBT，整流管整流二極管及FRED，濾波電感，變壓器以及開關管的驅動等。5.4.2 機箱的熱設計5.4.2.1 機箱的選材 如果需利用模塊的機箱作為散熱器，那么模塊機箱必須選用鋁合金材料，且模塊內壁不得進行拉絲處理，材料的厚度不得低于1.5mm。 如果不利用機箱進行散熱，那么模塊機箱選材不受限制。5.4.2.

39、2 模塊的散熱量的計算5.4.2.2.1對密封機箱 QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)t1.25+4STm3T(5) S= Ss+St+Sb 如果計算出的散熱量QT需求散熱量Q，那么必須選用通風機箱。5.4.2.2.2 對通風機箱 QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)t1.25+4STm3t+1000uAT .(6) QT -模塊的耗散功率，W Ss機箱側面內壁的有效面積，m2 St 朹機箱頂部面積，m2 Sb-機箱的底面積，m2 t-風道進出口溫差， 斯波爾茲曼常數(shù)，為5.6710-8W/m2.K -輻射系數(shù) TmT+Ta/2 T-機箱的外表溫度，K Ta環(huán)境溫度，K

40、u- 自然風速，一般取0.1-0.2m/s A-通風面積， m25.4.2.3 機箱輻射換熱的考慮對于自然冷卻的機箱，大局部需承當散熱器的功能，其外表溫升一般較高，約25-40，其外表的輻射換熱量在整個機箱的散熱量中占有較大的比重，有些甚至成為主要的散熱途徑，所以，在進行機箱的散熱計算時，不能忽略輻射換熱，可按計算式(5)-(6)中提供的方法計算輻射換熱，也可按下式進行計算：Q輻射4S(Ts4-Ta4).(7)S機箱的有效面積，m2 斯波爾茲曼常數(shù)，為5.6710-8W/m2.K -輻射系數(shù) Ts-機箱的外表溫度，K Ta環(huán)境溫度，K 必須牢記，電子設備由于溫度不是太高，輻射波長相當長，處于不

41、可見的紅外區(qū)。而在紅外區(qū)，一個良好的發(fā)射體也是一個良好的吸收體， 所以在考慮機箱的輻射換熱時，必須同時考慮機箱外表輻射吸收的熱量及機箱外表輻射散出的熱量。對于模塊，根本處于室內，不涉及太陽輻射的問題，如果模塊周圍沒有溫度高于模塊的物體，其機箱外表吸收的輻射熱量可以不考慮，只需考慮機箱外表的散熱量，所以機箱外表的實際輻射散熱量對于機箱外表輻射散出的熱量。Q實際輻射Q輻射散熱如果模塊周圍有溫度高于模塊的物體，其機箱外表吸收的輻射熱量必須考慮，機箱外表的實際散熱量按(8)式計算：Q實際輻射Q輻射散熱Q輻射吸熱(8)5.4.2.4 機箱的外表處理從熱設計角度，無論機箱還是散熱器，不推薦外表進行任何處理

42、，額外的外表處理對輻射散熱奉獻較小，卻增加了產品本錢。5.5 單板級的熱設計5.5.1 選擇功率器件時的熱設計原那么5.5.1.1 在其它性能參數(shù)相同的情況下，應優(yōu)先選用允許結溫Tj高的功率器件根據供給商手冊提供的數(shù)據進行篩選。5.5.1.2 在其它性能參數(shù)相同的情況下，應優(yōu)先選用結殼熱阻Rjc較小的功率器件(根據供給商手冊提供的數(shù)據進行篩選)。5.5.1.3 在其它性能參數(shù)相同的情況下，優(yōu)先選用封裝尺寸較大的功率器件(根據供給商手冊提供的數(shù)據進行篩選)，以減小器件與散熱器間的接觸熱阻Rcs。5.5.1.4 對于MOSFET器件,在結殼熱阻Rjc相近的條件下，應優(yōu)先選用25下RD(ON)較小的

43、器件。5.5.1.5 對于IGBT器件，在結殼熱阻Rjc相近的條件下，應優(yōu)先選用相同門極電阻下開關能量較小的器件。 5.5.2 元器件布局的熱設計原那么5.5.2.1電阻的散熱一般是通過固定連接片或引線兩端的傳導以及本身的輻射，對流進行散熱的，所以電阻外表應涂覆無光澤的粗糙漆，放置位置應便于對流散熱并加大與其它元件之間的距離。5.5.2.2 對不加屏蔽罩的變壓器，鐵芯與支架、支架與固定面之間應有良好的接觸，以使接觸熱阻最低; 對帶屏蔽罩的變壓器，外罩必須與固定面良好接觸，把變壓器的固定面用支架墊高，并在底板上開通風孔，以形成氣流對流。5.5.2.3 對模塊內部不能夠吹到風的PCB板，在布置元器

44、件時，元器件與元器件之間，元器件與結構件之間應保持一定距離，以利空氣流動，增強對流換熱. 5.4.3.3.1對相鄰的兩垂直發(fā)熱外表，d/L=0.25，如圖3-(a)所示。5.4.3.3.2 對相鄰的垂直發(fā)熱外表與冷外表間距,dmin=2.5mm, 如圖3-(b)所示。5.4.3.3.3 對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的上外表之間,d/D=0.85, 如圖3-(c)所示。5.4.3.3.4 對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的垂直外表之間,d/D=0.7, 如圖3-(d)所示。5.4.3.3.5 對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的水平底面之間,d/D=0.65, 如圖3-(e)所示。 圖3 自然對流時元器件排列的

45、距離關系5.4.3.4 在PCB上布置各種元器件時，應將功率大、發(fā)熱量大的元器件放在邊沿和頂部，以利于散熱。5.4.3.5應將不耐熱的元件(如電解電容)放在靠近進風口的位置，而將本身發(fā)熱而又耐熱的元件(如電阻,變壓器等)放在靠近出風口的位置。5.4.3.6 在PCB上布置各種元器件時，應將功率大、發(fā)熱量大的元器件放在出風口的位置。5.4.3.7 對熱敏感元件，在結構上應采用“熱屏蔽方法解決。5.5.3 元器件的安裝 元器件的安裝應盡量減少元器件殼與散熱器外表間的熱阻，即接觸熱阻。5.5.3.1 為盡量減小傳導熱阻，應采用短通路，即盡可能防止采用導熱板或散熱塊把元器件的熱量引到散熱器外表，而元器

46、件直接貼在散熱器外表那么是最經濟、最可靠、最有效的散熱措施。5.5.3.2 為了改善器件與散熱器接觸面的狀況，應在接觸面涂導熱介質，常用的導熱介質有導熱脂、導熱膠、導熱硅油、熱絕緣膠等。5.5.3.3 對器件須與散熱器絕緣的情況，采用的絕緣材料應同時具有良好的導熱性能，且能夠承受一定的壓力而不被刺穿，詳見5.5.4。5.5.3.4把器件裝配在散熱器上時，應嚴格按照我司TS-S0E0102023?大功率管安裝設計工藝標準?中提供的安裝壓力或力矩進行裝配，壓力缺乏會使接觸熱阻增加，壓力過大會損壞器件。5.5.3.5 將大功率混合微型電路芯片安裝在比芯片面積大的鉬片上。5.5.3.6 對于多層印制線

47、路板，應利用電鍍通孔來減少通過線路板的傳導熱電阻。這些小孔就是熱通路或稱熱道。5.5.3.7 當利用接觸界面導熱時，采用以下措施使接觸熱阻減到最小。5.5.3.7.1 盡可能增大接觸面積。5.5.3.7.2 確保接觸外表平滑。5.5.3.7.3 利用軟材料接觸。5.5.3.7.4 扭緊所有螺栓以加大接觸壓力(注意不應殘留過大應力)。5.5.3.7.5 利用合理的緊固件設計來保證接觸壓力均勻。5.5.4 導熱介質的選取原那么為了解決功率器件與散熱器間的電氣絕緣問題，功率器件與散熱器間應加導熱絕緣材料，考慮到性價比，在散熱條件不是很惡劣，如功率器件損耗較小或功率器件處于有利的通風位置時，可選用通用

48、的導熱絕緣材料SP400，其它條件下可選用散熱性能較好的SP900S，只有在特殊情況下，才允許選用SP2000。其性能參數(shù)如表4所示表4 常用熱界面材料性能參數(shù)表材料Sil-pad2000Sil-pad900SSil-pad400陶瓷基片材料厚度(mm)0.250.0250.230.0250.230.0250.630.025導熱系數(shù)W/m.k3.51.60.927單位面積熱阻-cm2/W1.292.64.61.2使用溫度-60180-60180-60180-60180材料構成硅橡膠/玻璃纖維硅橡膠/玻璃纖維硅橡膠/聚脂薄膜陶瓷三氧化二鋁實測熱阻值0.40.60.90.35實測熱阻值是在采用TO

49、247封裝，在緊固壓力為12Kg.cm下測得的。5.5.4.1 由于陶瓷基片在安裝時容易碎裂，所以不推薦使用陶瓷基片。5.5.4.2 對于輸出局部，由于總是處于出風口的位置，一方面通過其功率管外表及散熱器外表的風均為熱風，另外輸出二極管局部后面總會有輸出共模電感或差模電感之類的體積較大的器件，影響出風，所以該局部的散熱條件總是比擬惡劣，為了減小散熱器的壓力，可考慮采用散熱器懸浮的方法去掉功率管與散熱器間的導熱絕緣膜，使功率管直接貼在散熱器上。5.5.4.3 為了便于安裝，導熱絕緣膜可考慮選用單面背膠的方法解決導熱絕緣膜的定位問題，即先將導熱絕緣膜粘在安裝位置，再進行功率管的安裝與緊固。但必須注

50、意，導熱絕緣膜背膠會增加其熱阻，由于膠不是良好的導熱介質，一般情況下，熱阻會增加3040，所以，在熱設計時需考慮該局部的冗余。5.5.4.4 我司推薦的大局部導熱絕緣材料均采用硅橡膠為基體，質地較軟，因此，在安裝時不需要涂硅脂；只有少數(shù)材料如SP400、SPK10、陶瓷基片等質地比擬硬的材料必須涂硅脂，要求硅脂必須涂敷均勻，硅脂層厚度小于0.15mm。5.5.5 PCB板的熱設計原那么PCB板熱設計的主要任務是有效地把印制板上的熱引導到外部(散熱器和大氣中)。5.5.1 印制線的載流容量和溫升設計印制板時要保證印制線的載流容量，印制線的寬度必須適于電流的傳導，不能引起超過允許的溫升和壓降。在實

51、際應用中，常有較大電流流過輸出端銅箔，如果輸出銅箔設計的過細，那么會導致銅箔的溫度上升。印制電路板的材料、導電銅箔的厚度、容許溫升將影響到銅箔厚度應該多寬、能承受多大電流。一般對1盎司的環(huán)氧玻璃板，如果允許溫升小于10(考慮到系統(tǒng)內部的環(huán)境溫度可能超過70) ，那么一般可按1A電流取1mm寬銅箔的經驗數(shù)據進行銅箔設計。如假設流過的電流為5A，對1盎司的環(huán)氧玻璃板，其銅箔寬度可取5mm。實際可按照容許溫升的大小按照圖4進行選擇。圖4 1盎司環(huán)氧玻璃板電流與銅箔寬度的關系圖, 需提醒的是，不同的基板材料生產廠家，不同的基板材料，那么圖3顯示的電流與銅箔的關系是不相同的?？赏ㄟ^實驗進行確定。5.5.

52、2 印制板的散熱5.5.2.1 選用厚度大的印制線，以利于印制線的導熱和自然對流散熱。5.5.2.2 減小元器件引線腿及元器件引線間的熱阻，增強元器件引線腿對印制線的熱傳導，增強導電性。5.5.2.3 當元器件的發(fā)熱密度超過0.6W/cm3，單靠元器件的引線腿及元器件本身缺乏充分散熱，應采用散熱網、匯流條器等措施。5.5.2.4 假設發(fā)熱密度非常高，那么元器件應安裝散熱器，在元器件和散熱材料之間應涂抹導熱膏。5.5.2.5 以上措施仍不能充分散熱時，就應采用熱傳導性能好的印制板，如金屬基底印制板和陶瓷基底(高鋁陶瓷、氧化磚陶瓷、凍石陶瓷)印制板。5.5.2.6 對塑封器件和SMD封裝的元器件，

53、通過管腳散熱成為主要的散熱器途徑之一，其熱設計應滿足以下原那么：加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔，以加大PCB的散熱面積，如圖5所示 圖5: 改善管腳側散熱的措施之一散熱焊盤由過孔連接到內層夾心層進行散熱和熱平衡 圖6: 改善管腳側散熱的措施之二5.5.2.7 PCB焊盤的隔熱設計 較大的焊盤及大面積銅皮對管腳的散熱十分有利，但在過波峰焊或回流焊時由于銅皮散熱太快，容易造成焊接不良，必須進行隔熱設計，常見的隔熱設計方法如圖7所示圖7: 焊盤的隔熱設計5.5.6 安裝PCB板的熱設計原那么自然冷卻條件下，對設備內有多塊PCB板時，應與進風方向平行并列安裝，每塊PCB板間的間距應大于30mm，以利

54、于對流散熱。5.5.7 元器件結溫的計算為保證元器件的平安散熱，需要校核元器件的結溫是否工作在平安溫度下，首先得獲得如下數(shù)據：元器件的耗散功率Q額定值，結點junction的平安工作溫度范圍Tjmax最大值和推薦值，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，散熱外表外形尺寸以上參數(shù)一般在元器件供給商提供的用戶手冊中可以查到，PCB板的層數(shù)，流過元器件的空氣溫度和速度由系統(tǒng)級估算獲得,工作結溫按下式進行計算：5.5.7.1元器件背有散熱器 對于帶銅板封裝的大功率元器件(典型如TO220/TO-247等)，其熱量通過環(huán)氧外表 (通常為TOP面)、管腳及銅板共3個渠道傳遞

55、出來，由于結到環(huán)氧外表、結到管腳的熱阻較大，所以通過銅板的傳熱為主要的傳熱途徑，如果銅板所貼的散熱器熱阻足夠小且流過環(huán)氧外表的風速小于1m/s，那么通過其它兩種路徑的傳熱根本可以忽略，在散熱器臺面溫度Ts下 , 器件的工作結溫為：Tj=Ts+ PTRth(j-s) 0.8Tjmax(9) PT元器件的熱損耗，W Rth(j-s)元器件結到散熱器外表的熱阻，/W 對于無銅板的塑封器件，其熱量通過環(huán)氧外表 (通常為TOP面)、管腳共2個渠道傳遞出來，元器件不僅通過外表對流散熱，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面積的銅，綜合的導熱系數(shù)比擬高，整個PCB板就象是一

56、塊大的平板散熱器，具有熱量均勻化的作用。所以應盡量減小結至板的熱阻，如BGA封裝有大量鋼珠直接和板接觸，熱阻比QFP的封裝方式小。一般較難計算散熱量在這兩條散熱路徑外表對流與PCB導熱上的分配比例，但經驗說明對于BGA和QFP這樣的封裝，外表無散熱器時，PCB導熱量將占總發(fā)熱量的50%或以上，外表加散熱器時，外表熱阻大幅降低，那么PCB導熱量將減小為很小一局部。5.5.7.2 元器件無散熱器如果結到環(huán)境的熱阻，環(huán)境溫度，那么器件的工作結溫為：Tj=Ta+ PTRth(j-a) (10)5.6 散熱器的選擇與設計5.6.1散熱器需采用的自然冷卻方式的判別對通風條件較好的場合，散熱器外表的熱流密度

57、小于0.039W/cm2可采用自然冷卻。對通風條件較惡劣的場合： 散熱器外表的熱流密度小于0.024W/cm2可采用自然冷卻。5.6.2 自然冷卻散熱器的設計要點5.6.2.1考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒外表的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒上下于10mm，可按齒間距1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。5.6.2.2自然冷卻散熱器外表的換熱能力較弱，在散熱齒外表增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響，所以建議散熱齒外表不加波紋齒。5.6.2.3自然對流的散熱器外表一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱外表的輻射系

58、數(shù)，強化輻射換熱。5.6.2.4由于自然對流到達熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于3mm以上。散熱器基板厚度對散熱器的熱容量及散熱器 熱阻有影響，太薄熱容量太小，太厚熱阻反 圖8 散熱器基板厚度與熱阻的關系曲線而增加，圖8表示出了基板厚度的最 佳范圍。對分散式散熱來將，基板厚度一般為3-6mm為最正確。5.6.2.5 自然冷卻所需散熱器的體積熱阻為500-800cm3/W(注意：表2只能作為初選散熱器的參考，不能用它來計算散熱器的熱阻，散熱器的實際熱阻需按附錄A提供的方法計算。)5.6.2.6一定的冷卻體積及流向長度下，按表5確定散熱器齒片

59、最正確間距的大小表5 不同冷卻條件及流向長度與散熱齒片最正確齒間距的關系 冷卻條件流向長度(mm)75150225300自然冷卻6.57.510135.6.2.7 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率 如表3所示，盡可能選用成型簡單的工藝以降低散熱器的加工本錢。5.6.2.8 散熱器的外表處理安裝元器件的散熱器外表的光潔度Ra1.6m，平面度對于0.1mm。安裝元器件的散熱器外表不能進行拉絲處理。表6 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率散熱器成型方法傳熱效率，本錢參考沖壓件/光外表散熱器1018低帶翅片的壓鑄散熱器/常規(guī)鋁型材1522較低鏟齒散熱器2532較高小齒間距鋁型材454

60、8高針裝散熱器/釬焊/錫焊/鏟齒/插片成型散熱器(冷板散熱器)7890很高5.6.3 自然冷卻散熱器的輻射換熱考慮5.6.3.1如果物體外表的溫度低于50，可忽略顏色對輻射換熱的影響。因為此時輻射波長相當長，處于不可見的紅外區(qū)。而在紅外區(qū)，一個良好的發(fā)射體也是一個良好的吸收體，發(fā)射率和吸收率與物體外表的顏色無關。5.6.3.2 如果物體外表的溫度低于50，可不考慮輻射換熱的影響。5.6.3.3輻射換熱面積計算時，如外表積不規(guī)那么，應采用投影面積。即沿外表各局部繃緊繩子求得的就是這一投影面積，如圖9所示。輻射傳熱要求輻射外表必須彼此可見。 圖9不規(guī)那么外表的輻射投影面積 5.6.4 海拔高度對散