熱設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范

1、產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)與規(guī)范木規(guī)范根據(jù)通信產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)相關(guān)資料及熱實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǔn)人：1概述11熱設(shè)計(jì)的目的11.2熱設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題11.3熱設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則12熱設(shè)計(jì)的基本知識(shí) 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(qiáng)散熱的方式63自然對(duì)流散熱73.1自然對(duì)流熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題73.2 H然對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算94強(qiáng)迫對(duì)流散熱風(fēng)扇冷卻114.1風(fēng)道的設(shè)計(jì)114.2抽風(fēng)與鼓風(fēng)的區(qū)別164.3風(fēng)扇選型設(shè)計(jì)174.4機(jī)柜/箱強(qiáng)迫風(fēng)冷熱設(shè)計(jì)225單板元器件安全性熱分析245.1元器件溫升校核計(jì)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(shè)計(jì)步驟307附錄 327.1熱仿真軟件介紹327.2參考文獻(xiàn)32本文針對(duì)公司產(chǎn)品的特點(diǎn)，提供了熱設(shè)計(jì)的皋礎(chǔ)理論知識(shí)、熱設(shè)計(jì)的皋本方法與 步驟、熱設(shè)計(jì)的原則等內(nèi)容。產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范第一章概述11熱設(shè)計(jì)的目的采用適當(dāng)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(guò)穩(wěn)泄運(yùn)行要求的最島溫度，以保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性，長(zhǎng)期運(yùn)行 的可靠性。12熱設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題121耗散的熱最決定了溫升，因此也決定了任一給定結(jié)構(gòu)的溫度：122熱暈以導(dǎo)熱、對(duì)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(shè)計(jì)中的重要參數(shù):124所有的冷卻系統(tǒng)應(yīng)是最簡(jiǎn)單乂最經(jīng)濟(jì)的，并適合丁特定的電氣和機(jī)械、環(huán)境條 件，同時(shí)滿足可靠性耍求；125熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)出現(xiàn)矛盾時(shí)，應(yīng)進(jìn)行 權(quán)衡分析，折衷解決：1.2.6熱設(shè)計(jì)中允許有較大的誤差；127熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素：包松結(jié)構(gòu)與尺寸功耗產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性與所耍求的元器件的失效率相應(yīng)的溫度極限電路布局工作環(huán)境13遵循的原則1.3熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)b0時(shí)進(jìn)行，燮熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)相互 兼顧；1.3.2熱設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相應(yīng)的國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；1.3.3熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足產(chǎn)品的可靠

4、性要求，以保證設(shè)備內(nèi)的元器件均能在設(shè)定的熱環(huán)境中 長(zhǎng)期正常工作。1.3.4每個(gè)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(fēng)扇等）的故障率應(yīng)比元件的故障率低；1.3.6在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)余最，以避免使用過(guò)程中因工況發(fā)生變化而 引起的熱耗散及流動(dòng)阻力的增加。1.3.7熱設(shè)計(jì)不能盲目加大散熱余鍛，盡直使用門然對(duì)流或低轉(zhuǎn)速風(fēng)扇等可靠性高的冷 卻方式。使用風(fēng)扇冷卻時(shí)，要保證噪音指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。1.3.8熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在保證散熱的前提下使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hù)第4頁(yè)，共34

5、頁(yè)DKBA0.400.0037 REV. 1.0第二章熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)21某些基本概念2.1.1溫升指機(jī)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(duì)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(cè)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?jī)?nèi)測(cè)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(yùn)行時(shí)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(jì)算元器件溫升時(shí)，應(yīng)根 據(jù)其功耗和效率計(jì)算熱耗，當(dāng)僅知道大致功耗時(shí)，對(duì)丁小功率

6、設(shè)備，可認(rèn)為熱耗等丁 功耗，對(duì)丁-大功耗設(shè)備，可近似認(rèn)為熱耗為功耗的75%o其實(shí)為給設(shè)計(jì)留一個(gè)余最， 有時(shí)克接用功耗進(jìn)行計(jì)算。但注意電源模塊的效率比較薛，一般為70%95%,對(duì)于同 一個(gè)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€(gè)簡(jiǎn)單的類比來(lái)解釋熱阻的意義，換熱量相當(dāng)r電流，溫差相當(dāng)丁電 壓,則熱阻相當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供，可在器件的用戶說(shuō)明書(shū)中査出：2.1.4.1結(jié)至空氣熱阻Rja：元器件的熱源結(jié)(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(jié)至殼熱MRjc：元器件的熱源結(jié)到封裝外殼間的熱阻，乘以發(fā)熱量即獲得結(jié)與 殼的溫差。2.143結(jié)至板熱阻Rjb：元器件的結(jié)與PCB板間的熱阻，乘以通過(guò)單板導(dǎo)熱的散熱量即 獲得結(jié)與單板間的溫差。2.1.5導(dǎo)熱系數(shù)表征材料導(dǎo)熱性能的參數(shù)指標(biāo)，它表明單位時(shí)間、單位面積、負(fù)的溫度梯度下的 導(dǎo)熱帚:，單位為W/m.K或W/m.C2.1.6對(duì)流換熱系數(shù)反映網(wǎng)種介質(zhì)間對(duì)流換熱過(guò)程的強(qiáng)弱

8、，表明當(dāng)流體與壁面的溫差為1 C時(shí)，在單 位時(shí)間通過(guò)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(dòng)，換熱系數(shù)小，熱阻大，流動(dòng)阻力?。晃闪髦噶黧w呈無(wú)規(guī)則、相互混雜的流動(dòng)，換熱系數(shù)大，熱阻小，流動(dòng)阻力大。層 流與紊流狀態(tài)一般山雷諾數(shù)來(lái)判定。在熱設(shè)計(jì)中，盡可能讓熱耗大的關(guān)鍵元器件周圍 的空氣流動(dòng)為紊流狀態(tài)，因?yàn)槲闪鲿r(shí)的換熱系數(shù)會(huì)是層流流動(dòng)的數(shù)倍。2.1.8流阻反映流體流過(guò)某-通道時(shí)所產(chǎn)生的靜壓差。單位帕斯卡或In. water2.1.9黑度實(shí)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(wú)光澤，黑度大，輻射散熱能力 強(qiáng)。2.1.11 雷諾數(shù) Re(Reynlods)雷諾數(shù)的大小反映了空氣流動(dòng)時(shí)的慣性力與粘滯力的相對(duì)大小，雷諾數(shù)是說(shuō)明流 體流態(tài)的一個(gè)相似準(zhǔn)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(duì)象結(jié)構(gòu)情況取 值；為運(yùn)動(dòng)粘度，單位m/s。2.1.12 普朗特?cái)?shù)Pi(Prandtl)普朗特?cái)?shù)是說(shuō)明流體物理性質(zhì)對(duì)換熱影響的柑似準(zhǔn)則數(shù)?？諝獾腜r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?cái)?shù)Nu(Nusseltl)反映出同一流體在不同情況下的對(duì)流換熱強(qiáng)弱，是一個(gè)說(shuō)明對(duì)流換熱強(qiáng)弱的相似 準(zhǔn)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(dǎo)熱系數(shù)，單位W/m/Co2.1.14通風(fēng)機(jī)的特性曲線指通風(fēng)機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)速下工作，靜壓隨風(fēng)量變化的關(guān)系曲線。當(dāng)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口 完全被睹住時(shí)，風(fēng)暈為零，靜圧最島；當(dāng)風(fēng)機(jī)不與任何風(fēng)道連接時(shí)，其靜壓為零，而 風(fēng)量達(dá)到最大。2.1.15系統(tǒng)的阻力特性Illi線系統(tǒng)（或風(fēng)道）的阻力特牲曲線：是指流體流過(guò)風(fēng)道所產(chǎn)生的壓降隨空氣流量變化 的關(guān)系曲線，與流暈的平方成正比。2.1.16通風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)系統(tǒng)（風(fēng)道）的特性曲線與風(fēng)機(jī)的靜問(wèn)III線的交點(diǎn)就是風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。2.1.17速度頭一鮫使用空氣的動(dòng)用頭來(lái)作為電子設(shè)備機(jī)箱床降的慣用皋準(zhǔn)，其定義為為空氣密度，u為空氣流速。風(fēng)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(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，它們可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可能兩種或三 種形式同時(shí)出現(xiàn)221導(dǎo)熱的基本方程:導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K或W/m.C; A導(dǎo) 導(dǎo)熱方向上的截面而積，nfx方向上的溫度變化率，C;陰.導(dǎo)熱熱阻,C/W根據(jù)方程的形式，可以看出，要增強(qiáng)散熱童，減小溫升，可以增加導(dǎo)熱系數(shù)，選 用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，如銅（約360W/mC）或鋁（約160W/mC）；增加導(dǎo)熱方向上 的截面積；減小導(dǎo)熱方向上的路徑。222對(duì)流的基本方程：對(duì)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(duì)流換熱系數(shù)，W/m2.K或W/m-C; A對(duì) 有效對(duì)流換熱而積，m29熱表而溫度，C;Q冷卻空氣溫度，C;R對(duì)流一對(duì)流熱阻，*C/W由方程可見(jiàn)，耍增強(qiáng)對(duì)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(jī)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(duì)溫度，K由方程可見(jiàn)，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(qiáng)散熱的方式以下一些具體的散熱增強(qiáng)方式，其實(shí)就是根據(jù)上述三種棊木傳熱方程來(lái)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(guò)引線或?qū)峤^緣材料 導(dǎo)到PCB板中，利用周陽(yáng)PCB板的表面散熱。2.3.2增加流過(guò)表而的風(fēng)速，可以增加換熱系數(shù)。2.3.3破壞層流邊界層，增加擾動(dòng)。紊流的換熱強(qiáng)度是層流的數(shù)倍，抽風(fēng)時(shí)，風(fēng)道橫截 面上速度分布比較均勻，風(fēng)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(qiáng)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(gè)原因。吹風(fēng)時(shí)，風(fēng)扇出口風(fēng)速分命不均，有主耍流動(dòng)方向，局 部風(fēng)速較高，一般為

14、紊流狀態(tài)，局部換熱強(qiáng)烈，但雯注意冋流低速區(qū)換熱較差。2.3.4盡最減小導(dǎo)熱界而的接觸熱阻。在接觸而可以使用導(dǎo)熱硅膠（絕緣性能好）或鋁 箔等材料。2.3.5設(shè)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(guò)空氣的受限 門然對(duì)流和導(dǎo)熱、輻射散熱，由丁空氣的導(dǎo)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(guò)導(dǎo)熱絕緣犁接觸，則熱阻將大人降低，減小溫升。第三章自然對(duì)流換熱當(dāng)發(fā)熱表而溫升為40C或更高時(shí)，如果熱流密度小丁O04W/cm，,則一般可以通 過(guò)H然對(duì)流的方式冷卻，不必使用風(fēng)扇。H然對(duì)流主要通過(guò)空氣受熱膨脹產(chǎn)生的浮升 力使空氣不斷流過(guò)發(fā)熱表面，實(shí)現(xiàn)散熱。這種換熱方式不需要任何輔

15、助設(shè)備，所以不 需要維護(hù),成本最低。只要熱設(shè)計(jì)和熱測(cè)試表明系統(tǒng)通過(guò)門然對(duì)流足以散熱,應(yīng)盡暈 不使用風(fēng)扇。3.1自然對(duì)流熱設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，元器件溫升過(guò)高，將不得不采用風(fēng)扇。合理全面的IH然對(duì)流熱設(shè) 計(jì)必須考慮如下問(wèn)題：3.1.1兀器件如局是否合理。.在布置元器件時(shí)，應(yīng)將不耐熱的元件放心靠近進(jìn)風(fēng)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(yuǎn)離高溫元件，以避免輻射的 影響，如果無(wú)法遠(yuǎn)離，也可以用熱屏蔽板(拋光的金屈薄板，黑度越小越好)隔開(kāi)； 將本身發(fā)熱而乂耐熱的元件放在靠近出風(fēng)口的位置或頂部；般應(yīng)將熱流密度島的元 器件放任邊沿與頂部，靠近出風(fēng)口的位置，但如果不能承受較高溫度

16、，也要放在進(jìn)風(fēng) 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(cuò)開(kāi)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(fēng)阻 均布，風(fēng)量分布均勻。單板上元器件的布局應(yīng)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(duì)流空間。元器件與元器件Z間，元器件與結(jié)構(gòu)件之間應(yīng)保持 一定距離，通常至少13mm,以利于空氣流動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)流換熱。一些具體的參考距離尺 寸如下：3.1.2對(duì)相鄰的兩垂直發(fā)熱表面,d/L=0.25,如圖3l(a)所示;3.122對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)流時(shí)元器件排列的距離關(guān)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(jìn)出風(fēng)口應(yīng)盡最遠(yuǎn) 離,避免氣流短路，通風(fēng)口盡址對(duì)準(zhǔn)散熱要求高的元件3.1.3是否充分運(yùn)用了導(dǎo)熱的傳熱途

18、徑。|由丁十I然對(duì)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(wú)法充分對(duì)流時(shí),散熱最會(huì)很小，這時(shí)應(yīng)盡 量采用導(dǎo)熱的方式，利用導(dǎo)熱系數(shù)較島的金屬或?qū)峤^緣材料（如導(dǎo)熱硅膠，云母， 導(dǎo)熱陶瓷，導(dǎo)熱墊等）將元件與機(jī)殼或冷板相連，將熱最通過(guò)更大的表面積散掉。34使用散熱器。對(duì)丁個(gè)別熱流密度較尚的元器件，如果H然對(duì)流時(shí)溫升過(guò)烏，可以設(shè)計(jì)或選用散熱器以增加散熱表面，設(shè)計(jì)選用方法見(jiàn)笫5章。3.5建否允分運(yùn)用了輜対的傳熱途徑。鳥(niǎo)溫元件町以通過(guò)輻對(duì)將部分熱繪傳遞給機(jī) 殼，機(jī)殼對(duì)輻射熱的吸收強(qiáng)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(duì)黑度的影響并不如人們 般認(rèn)為的那樣明顯

19、。當(dāng)機(jī)殼表而涂漆，黑度可以達(dá)到 很高，接近1。在一個(gè)密閉的機(jī)盒中，機(jī)殼內(nèi)外表面涂漆比不涂漆時(shí)元件溫升平均將卜 降10%左右。3.1.6其他的冷卻技術(shù)。如果高熱流密度元器件附近的空間有限，無(wú)法安裝人散熱器， 可以采用冷管，將熱最導(dǎo)到其他有足夠空間安裝散熱器的位置。綜介考慮上述問(wèn)題時(shí)，將會(huì)有許多不同的結(jié)構(gòu)布局方案，用一般的理論公式較難 分析有限空間的復(fù)雜流動(dòng)和換熱，也難以比較方案的好壞。瑕好采用熱設(shè)計(jì)仿真分析 軟件對(duì)機(jī)箱/盒建模劃分網(wǎng)格并計(jì)算，然后叮以方便地改動(dòng)布局方案再次計(jì)算，比較不 同方案的計(jì)算結(jié)果，即可獲得最佳的或滿足耍求的方案。國(guó)外許多通信公司都采用這 種軟件幫助新產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，使一些產(chǎn)品

20、避免采用風(fēng)塌散熱。3.2自然對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算電子設(shè)備的IT然對(duì)流通常屈丁層流狀態(tài)，可以采用如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)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?cái)?shù)壁面與空氣的溫差空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/mC空氣體積膨脹系數(shù)，”C空氣運(yùn)動(dòng)粘nr/s1-特征尺T，m，計(jì)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(shù)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(shí)的值代入上式，得如下簡(jiǎn)單關(guān)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(jī)插框電路板垂片放置，間距25.4mm,單板尺寸233.3mmX280mm （高 X深），每個(gè)單板功耗為11.5W,初步估算可認(rèn)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(duì)面安裝，相互間的輻射換熱互相抵消，元件到機(jī)殼的角系數(shù)很 小，輻射可以忽略。插框采用塑膠滑道，導(dǎo)熱可以忽略。單板主耍換熱方式為對(duì)流， 可采用式22計(jì)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(jì)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(guò)電路板，在背面與印制敷銅導(dǎo)線用錫焊焊牢，部分熱量將通 過(guò)引線導(dǎo)到單板的背面。實(shí)驗(yàn)表明，PCB板背面能増加有效傳熱面積約達(dá)30%。將上 而計(jì)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(jì)分析對(duì)象是否可以采用IH然對(duì)流散熱的方式時(shí)，可以先根據(jù)其熱流密度是否小于 0.04W/cm2 來(lái)判斷。DKBA0.400.0037 REV. 1.0第四章強(qiáng)迫對(duì)流換熱風(fēng)扇冷卻當(dāng)散熱面熱流密度超過(guò)0

23、.08W/cm2,就必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式散熱。強(qiáng)迫風(fēng)冷在 我公司產(chǎn)品中應(yīng)用最多。有時(shí)盡管不用風(fēng)扇可以散熱，但散熱器和機(jī)箱體積會(huì)很大， 采用風(fēng)廟冷卻可以將體積減小許多。4.1風(fēng)道的設(shè)計(jì)強(qiáng)迫風(fēng)冷中風(fēng)道的設(shè)計(jì)非常巫耍。以下是設(shè)計(jì)的一些基本原則：盡量采用也通風(fēng)道，避免氣流的轉(zhuǎn)彎。在氣流急劇轉(zhuǎn)彎的地方，應(yīng)采用導(dǎo)風(fēng)板使氣 流逐漸轉(zhuǎn)向，使斥力損失達(dá)到最小。盡量避免驟然擴(kuò)展和驟然收縮。進(jìn)出風(fēng)口盡最遠(yuǎn)離，防止氣流短路。在機(jī)柜的而板、側(cè)板、后板沒(méi)有特別耍求一般不耍開(kāi)通風(fēng)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(dú)立風(fēng)道，分開(kāi)散 熱。風(fēng)道設(shè)計(jì)應(yīng)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(diǎn)。對(duì)丁并聯(lián)風(fēng)道應(yīng)根據(jù)各風(fēng)道散熱量的要求分配風(fēng)量，避免風(fēng)道阻力不A理布局 耍避免風(fēng)道的高低斥區(qū)的短路風(fēng)道2以下是一些典型的風(fēng)道風(fēng)道1瑕簡(jiǎn)單的鼓風(fēng)風(fēng)道，由機(jī)柜底部進(jìn)風(fēng)， 可由機(jī)柜頂部出風(fēng)。如果耍求防滴落， 可在頂部加蓋板,側(cè)出風(fēng),或頂部安裝 金屬絲網(wǎng)。放簡(jiǎn)單的抽風(fēng)風(fēng)道，由機(jī)柜底部進(jìn)風(fēng)。流場(chǎng)分布均勻，并插框換熱強(qiáng)度相爭(zhēng)不大。但如果風(fēng)道中有較大的縫隙,如拉DKBA0.400.0037 REV. 1.0靠近風(fēng)扇的插框換熱效果般佳，由丁風(fēng) 道必然在漏風(fēng)，而且離風(fēng)扇較遠(yuǎn)處流 場(chǎng)分布已較均勻，所以上插框的風(fēng)速相 對(duì)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(jī)柜內(nèi)為正壓，灰塵不會(huì)從

25、縫隙進(jìn) 入機(jī)柜。手條間的間隙，則會(huì)形成氣流部分短 路，下而插框的通風(fēng)最將大大降低。 下面插框的熱最依然被帶入上面的插 框。機(jī)柜內(nèi)為負(fù)壓，灰塵將通過(guò)縫隙進(jìn) 入機(jī)柜。利用斜擋板將上下風(fēng)道分為兩個(gè)部分獨(dú)工散熱，由丁風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)口沒(méi)有受到H接阻擋，其風(fēng)阻將比風(fēng)道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0利用斜擋板將上下風(fēng)道分為兩個(gè)部分獨(dú)工散熱，由丁風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)口沒(méi)有受到H接阻擋，其風(fēng)阻將比風(fēng)道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0風(fēng)道3風(fēng)道4利用斜擋板將上下風(fēng)道分為兩個(gè)部分獨(dú)工散熱，由丁風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)口沒(méi)有受到H接阻擋，其風(fēng)阻將比風(fēng)道4、7的情況要DKBA0.400.0

26、037 REV. 1.0風(fēng)扇框冷聯(lián)風(fēng)道，適用丁機(jī)柜風(fēng)阻較人 的情況?？拷L(fēng)扇出風(fēng)口的部分換熱最 強(qiáng)烈，但耍注意風(fēng)扇的HUB附近將形成 回流死區(qū)。中間插框由丁上下風(fēng)扇串 聯(lián)，氣流不能充分?jǐn)U散，靠近拉手條和 母板的部分風(fēng)速會(huì)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(fēng)扇。風(fēng)扇也可分別置丁機(jī)柜的頂部和底部， 但噪音將比置于插框間大。插框獨(dú)立抽風(fēng)散熱風(fēng)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(jī)柜由開(kāi)孔前門進(jìn)風(fēng)，頂插框可 以上出風(fēng)，下而的插框后出風(fēng)。采用軸 流風(fēng)扇時(shí)，出風(fēng)K接受阻擋，風(fēng)阻較 大。如果機(jī)柜不宜做得較深，必須在后 門

27、開(kāi)孔，并且機(jī)柜離墻有足夠的距離； 如果機(jī)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(fēng)道， 將風(fēng)從機(jī)柜頂部排出，宙丁風(fēng)道多次垂 代轉(zhuǎn)彎，將形成較大的風(fēng)阻，宜在后風(fēng) 道安裝導(dǎo)風(fēng)裝置或采用離心風(fēng)扇。注意，由丁進(jìn)風(fēng)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(fēng)道5風(fēng)道6n然對(duì)流獨(dú)立散熱風(fēng)道，與風(fēng)道4類似, 無(wú)風(fēng)扇，機(jī)柜出風(fēng)口在后門的頂部。插 框進(jìn)出風(fēng)口的大小根據(jù)發(fā)熱建和插框疝 度而定。機(jī)柜后面的風(fēng)道要求有足夠的 寬度，根據(jù)具體設(shè)計(jì)而定。如果機(jī)柜中有的插框需耍風(fēng)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(dú)立風(fēng)道

28、的方 式，結(jié)合風(fēng)道4與風(fēng)道5.均可滿足耍 求。這樣可以減少風(fēng)扇，降低噪音與成 本。為L(zhǎng)UCENT寬帶傳輸?shù)臋C(jī)柜風(fēng)道，與風(fēng) 道4、5類似,插框獨(dú)立散熱。兩個(gè)子框 采用鼓風(fēng)方式，最下而的插框門然散 熱。風(fēng)扇斜放的角度盡量大丁45 ,避 免風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)不利和產(chǎn)生較人的噪音。風(fēng) 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(chǎng)。如圖可見(jiàn)，采用鼓風(fēng)方式的獨(dú)立風(fēng)道將 大大増加機(jī)柜髙度。利用斜擋板將上下風(fēng)道分為兩個(gè)部分獨(dú)工散熱，由丁風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)口沒(méi)有受到H接阻擋，其風(fēng)阻將比風(fēng)道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0利用斜擋板將上下風(fēng)道分為兩個(gè)部分獨(dú)工散熱，由丁

29、風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)口沒(méi)有受到H接阻擋，其風(fēng)阻將比風(fēng)道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0風(fēng)道8風(fēng)道7為風(fēng)道6的改進(jìn)版，將風(fēng)扇框與出風(fēng)口作 為一體，可節(jié)省髙度空間，斜板還有導(dǎo) 風(fēng)作用。注意對(duì)丁常用的何徑120的風(fēng)利用斜擋板將上下風(fēng)道分為兩個(gè)部分獨(dú)工散熱，由丁風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)口沒(méi)有受到H接阻擋，其風(fēng)阻將比風(fēng)道4、7的情況要DKBA0.400.0037 REV. 1.0扇，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)扇框的高度將達(dá)3U,比風(fēng)道 4中的一體化風(fēng)扇框?yàn)?U,但局部散熱效 果應(yīng)比風(fēng)道4的情況好,適用r散熱元器 件比較集中且分布在風(fēng);it集中區(qū)域的情 況。風(fēng)扇也可平放，高度可降低為2U, 但噪音與進(jìn)風(fēng)會(huì)受一定影響。小，

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

31、的系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)。底部為電源模塊，IH帶風(fēng)扇前后通風(fēng)。頂部為離心風(fēng)扇，向單板區(qū)抽風(fēng)冷卻，由機(jī)箱后下方進(jìn)風(fēng)，經(jīng)機(jī)箱前而深約200的風(fēng)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(fēng)道12風(fēng)道11Motorola CPX8216機(jī)箱風(fēng)道。采用可變 速軸流風(fēng)扇鼓風(fēng)，風(fēng)扇豎放，風(fēng)扇的出 風(fēng)口處裝有導(dǎo)風(fēng)葉片，將氣流按系統(tǒng)熱 最分布分為三個(gè)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(shè)計(jì)使 結(jié)

32、構(gòu)緊湊，風(fēng)量介理分配。這是典型的機(jī)箱通風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)，采用離 心風(fēng)扇抽風(fēng)，向后排出，進(jìn)風(fēng)口在機(jī)箱 前下方。威圖和國(guó)外一些產(chǎn)品都采用這 種風(fēng)道。我們冃前學(xué)握的離心風(fēng)扇資料 中沒(méi)有合適的型號(hào)可用丁這種設(shè)計(jì)，主 耍因?yàn)殡x心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量過(guò)小，尺寸大， 噪音也大。風(fēng)道14鼓風(fēng)式的機(jī)箱風(fēng)道設(shè)計(jì)-Motorola的一吐產(chǎn)品中可以見(jiàn)到。鼓風(fēng)的換熱強(qiáng)度比抽DKBA0.400.0037 REV. 1.0鼓風(fēng)式的機(jī)箱風(fēng)道設(shè)計(jì)-Motorola的一吐產(chǎn)品中可以見(jiàn)到。鼓風(fēng)的換熱強(qiáng)度比抽DKBA0.400.0037 REV. 1.0風(fēng)道12中如果沒(méi)有合適的離心風(fēng)扇型兮 可選，可用軸流風(fēng)扇豎放代替，但風(fēng)扇鼓風(fēng)式的機(jī)箱風(fēng)道設(shè)計(jì)-M

33、otorola的一吐產(chǎn)品中可以見(jiàn)到。鼓風(fēng)的換熱強(qiáng)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(jī)箱高 度冇限制，可將風(fēng)扇平放，但風(fēng)扇出風(fēng) 口上方還是得留有一定出風(fēng)空間，至少 40mim如風(fēng)道4中的風(fēng)扇框-樣，這種 方式風(fēng)阻較大，對(duì)風(fēng)最有一定影響，需 耍采用較大尺寸風(fēng)扇。風(fēng)時(shí)高，但送風(fēng)不均勻,在風(fēng)扇中心和 風(fēng)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(fēng)扇出風(fēng)口和單板保持 50mm的跖離，可使流場(chǎng)均勻，但將增加 島度空間。另外，風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口距離底 板較近，會(huì)產(chǎn)生較大噪音，進(jìn)風(fēng)也受

34、障 礙,所以應(yīng)盡量加大距離，距下壁面至 少 40mm a?ecr風(fēng)道15Motorola曾在其基站產(chǎn)品中采用這種風(fēng)道 設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)口在機(jī)柜上前方，在機(jī)柜底 部采用兩個(gè)大離心風(fēng)扇抽風(fēng)，并向前方 排出。這種通風(fēng)方式與H然對(duì)流的方向 背道而弛，上耍是考慮避免高速氣流正 對(duì)人吹。另外向機(jī)柜前方出風(fēng)，避免了 后出風(fēng)時(shí)靠墻安裝所遇到的阻力。4.2抽風(fēng)與吹風(fēng)的區(qū)別4.2.1吹風(fēng)的優(yōu)缺點(diǎn)氐 風(fēng)扇出口附近氣流主要為紊流流動(dòng)，局部換熱強(qiáng)烈，宜用丁發(fā)熱器件比較集中的情 況，此時(shí)必須將風(fēng)扇的主要出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)集中的發(fā)熱元件。b. 吹風(fēng)時(shí)將在機(jī)柜內(nèi)形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進(jìn)入機(jī)柜/箱。c. 風(fēng)扇將不會(huì)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(fēng)扇壽命校長(zhǎng)。d. 由丁吹風(fēng)有一定方向性，對(duì)幣個(gè)插框橫截而上的送風(fēng)最會(huì)不均勻。e. 在風(fēng)扇HUB附近和并聯(lián)風(fēng)扇之間的位置有部分回流和低速區(qū)，換熱較差，最好將風(fēng) 扇與插框保持50mm以上的間距，使送風(fēng)均勻化。422抽風(fēng)的特點(diǎn)a. 送風(fēng)均勻，適用于發(fā)熱器件分布比較均勻，風(fēng)道比較復(fù)雜的情況。b. 進(jìn)入風(fēng)扇的流動(dòng)主要為層流狀態(tài)。c. 風(fēng)扇將在出風(fēng)口高溫氣流下匸作，壽命會(huì)受影響。d. 機(jī)栢內(nèi)形成負(fù)用，縫隙中的灰塵將進(jìn)入機(jī)柜/箱。4.3風(fēng)扇選型設(shè)計(jì)4.3.1風(fēng)扇的種類通信產(chǎn)品中運(yùn)用的風(fēng)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(jiàn)圖41圖4-1圖中橫坐標(biāo)表示風(fēng)晟，單位有mVh、m/min、CFM (立方英尺/分鐘， lCFM=4.72X104m7s)。縱坐標(biāo)表示風(fēng)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(fēng)扇的風(fēng)量越大,其產(chǎn)生的 靜壓就越小，用丁克服風(fēng)道阻力的能力就越小。從圖中的對(duì)比可以看出，軸流風(fēng)扇風(fēng)量大、風(fēng)斥低，曲線中間的平坦轉(zhuǎn)折區(qū)為軸 流風(fēng)扇特有的不穩(wěn)定匸作區(qū)，一般耍避免風(fēng)扇匸作在該區(qū)域。最佳匸作區(qū)在低風(fēng)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(fēng)壓、低流 量的工作區(qū)(曲線的前1/3段)，但要注意

37、風(fēng)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)值。離心風(fēng)扇的進(jìn)、出風(fēng) 方向垂直，其特點(diǎn)為風(fēng)斥大、風(fēng)帚:低，最好匸作在曲線中尿力較高的區(qū)域。混流風(fēng)扇 的特點(diǎn)介丁軸流和離心之間，出風(fēng)方向與進(jìn)風(fēng)有-傾斜角度，則風(fēng)最可以立即擴(kuò)散到 插框的各個(gè)角落，而且風(fēng)斥與風(fēng)量都比較人，但風(fēng)扇HUB K徑較人，匕對(duì)HUB的部分 風(fēng)速很低，回流比較嚴(yán)重。目前公司除極個(gè)別產(chǎn)品采用混流風(fēng)扇外，一般都采用軸流風(fēng)扇。我公司采用的風(fēng) 扇產(chǎn)品主要有NMB、PAPST、DELTA SONON,其中PAPST的風(fēng)扇雖然性能好，但 在商務(wù)采購(gòu)上評(píng)級(jí)為D,不推薦采用。NMB用得較多，DELTA樣品供貨較快。4.3.2風(fēng)扇與系統(tǒng)的匹配空氣流過(guò)風(fēng)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(yùn)動(dòng)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(fēng)道截而發(fā)生突變所引起的損失。不管哪種損失， 均和當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的平方成正比，如局部斥力損失由卜式計(jì)算（4-1）式中為阻力系數(shù)，為空氣密度，v為風(fēng)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(shuō)明空氣由環(huán)境人空間進(jìn)入進(jìn)風(fēng)口（流動(dòng)突縮）1空氣由出風(fēng)口進(jìn)入環(huán)境大空間（流動(dòng)突擴(kuò)）1空氣經(jīng)過(guò)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(hào)/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(fēng)暈呈拋物線關(guān)系，風(fēng)扇產(chǎn)生的靜丿k必須克服阻力損失，將風(fēng) 扇的特性曲線與系統(tǒng)的特杵曲線畫(huà)在同一張圖中，兩條曲線的交點(diǎn)即為風(fēng)扇與系統(tǒng)的 工作點(diǎn)，如圖42所示Flow rase ? 圖42風(fēng)丿對(duì)與系統(tǒng)的匹配匸作點(diǎn)圖中表明風(fēng)扇在該系統(tǒng)中T作時(shí)的風(fēng)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(diǎn)顯示的風(fēng)鼠不滿足設(shè)計(jì)要求，則需耍選擇其他型號(hào)的風(fēng)扇來(lái)匹 配，或設(shè)法降低系統(tǒng)阻力，增加風(fēng)最。4.3.3風(fēng)扇的串并聯(lián)在機(jī)柜/箱中一般為保證送風(fēng)均勻和足夠的風(fēng)暈，采用風(fēng)扇并聯(lián)使用的方式。風(fēng)扇 并聯(lián)時(shí)的特性Illi線理論上為各風(fēng)扇Illi線的橫向疊加

40、，如圖43所示，實(shí)際上一般會(huì)比理 想曲線略低。由圖中可以看出，兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)使用產(chǎn)生的風(fēng)最并不是僅采用一個(gè)風(fēng)扇 時(shí)產(chǎn)生風(fēng)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(diǎn)附近的斜率大 小有關(guān)。如果系統(tǒng)阻力較大，阻力特性曲線較陡，當(dāng)風(fēng)扇并聯(lián)的數(shù)H多到一定程度 時(shí)，并不能明顯增加風(fēng)最。一般建議橫向上并聯(lián)風(fēng)扇數(shù)目不要超過(guò)3個(gè)，如果插框較 寬，可以用4個(gè)，縱向上除非插框很深，一般只用一排。當(dāng)機(jī)柜/箱的阻力較大時(shí)，可以采用風(fēng)扇串聯(lián)使用的方式。風(fēng)扇串聯(lián)時(shí)的特性曲線理論上為各風(fēng)扇曲線的縱向栓加，如圖44所示，實(shí)際曲線一般會(huì)比理論曲線略低。100 Pa6050 f QSBOJOW(DJnssaldFlow

41、 rate 0 圖43風(fēng)扇的并聯(lián)特性曲線DKBA0.400.0037 REV. 1.0DKBA0.400.0037 REV. 1.0圖44風(fēng)扇的巾聯(lián)特性血線4.3.4在實(shí)際安裝情況下風(fēng)扇特性曲線的改變風(fēng)堀安裝在系統(tǒng)中，宙丁結(jié)構(gòu)限制，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口常常會(huì)受到各種阻擋，其性 能曲線會(huì)發(fā)生變化，如圖45所爪。由圖中可以看出，風(fēng)扇的進(jìn)出風(fēng)口最好與阻描物有 40mm的卅i離,如果冇空間限；別，也應(yīng)至少冇20mm。圖4-5風(fēng)扇特性曲線隨阻擋物的距離發(fā)生的變化4.3.5風(fēng)扇的噪?yún)饐?wèn)題風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音與風(fēng)扇的工作點(diǎn)或風(fēng)最有氏接關(guān)系，如圖46所示，對(duì)丁軸流風(fēng)扇 在大風(fēng)臺(tái)，低風(fēng)壓的區(qū)域噪聲最小，對(duì)丁離心風(fēng)機(jī)在高風(fēng)壓

42、，低風(fēng)呈的區(qū)域噪聲最 小，這和風(fēng)扇的最佳工作區(qū)是吻合的。注意不耍讓風(fēng)扇工作在高噪音區(qū)。風(fēng)劃進(jìn)風(fēng)口受阻擋所產(chǎn)生的噪冷比其出風(fēng)口受阻擋產(chǎn)生的噪背大好兒倍，所以 般應(yīng)保證風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)I丨離I用為物至少30mm的跖離,以免產(chǎn)生額外的噪音。對(duì)丁風(fēng)扇冷卻的機(jī)柜，在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房?jī)?nèi)噪音不得超過(guò)55dB,在普通民房?jī)?nèi)不得超過(guò) 65dBo對(duì)于不得不采用大風(fēng)帚，高風(fēng)床風(fēng)扇從而產(chǎn)生較大噪音的情況，可以在機(jī)柜的進(jìn) 風(fēng)口、出風(fēng)口、前后門內(nèi)側(cè)、風(fēng)扇框而板、側(cè)板等處在不影響進(jìn)風(fēng)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(fēng)扇框置丁插框之間比置于機(jī)柜的頂部或底部時(shí)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(shí)由于沒(méi)有合適的風(fēng)機(jī)而選擇了轉(zhuǎn)速較高的風(fēng)機(jī)，在保證設(shè)計(jì)風(fēng)量的條件下， 可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的電斥或其他方式降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而降低風(fēng)扇的噪?yún)稹．?dāng)風(fēng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速n變化不超過(guò)10%時(shí)，相應(yīng)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(fēng)扇噪怦隨風(fēng)最的變化4.4機(jī)柜/箱強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步的熱分析，先根據(jù)結(jié)構(gòu)情況依據(jù)4的原則進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)。然后佔(zhàn) 算機(jī)箱冷卻所需的空氣流最和相應(yīng)的用降，據(jù)此進(jìn)行風(fēng)扇的選型和確定風(fēng)扇的個(gè)數(shù)。 根據(jù)風(fēng)堀的位置和風(fēng)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(fēng)速較高，避開(kāi)冋流區(qū)和低速區(qū)。然后對(duì)

44、具體熱流密度比較高的器件進(jìn)行溫升校核計(jì)算(見(jiàn)第五章)，必要的話進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)(見(jiàn)第5章)o機(jī)柜/箱級(jí)計(jì) 算的步驟如下：第一步：確定風(fēng)道形式和風(fēng)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(jì)機(jī)柜/箱空氣進(jìn)出口溫差。經(jīng)驗(yàn)表明機(jī)柜fi通風(fēng)道一般在5C10C。然后由下式的一般在8C15C,臺(tái)式機(jī)箱或插框單獨(dú)風(fēng)逍的 計(jì)算冷卻空氣的體積流量，即風(fēng)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(zhàn)算時(shí)由上式即可獲得所霜風(fēng)量。除以風(fēng)道流通截面積即可獲得平均風(fēng)速。對(duì)丁機(jī)柜插框單板間的風(fēng)速，經(jīng)驗(yàn)表明，一/Jn

45、Vs2m/s之間。如果功耗較小，有時(shí)僅盂0.5m/s,如果功耗很大時(shí)，仃時(shí)盂要23nVs。笫三步：根據(jù)風(fēng)道結(jié)構(gòu)與單板阻力情況和空氣流速，佔(zhàn)算空氣總斥降?？諝饩植看步?的計(jì)算公式為(4-3)為速度頭，空氣速度v由流量和風(fēng)道橫截而積計(jì)算，為丿部床力損失系數(shù)，由實(shí) 驗(yàn)確定或憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。第四步：根據(jù)估算獲得的單板風(fēng)速和空氣溫升進(jìn)行主要大功率元器件與熱敏元件的溫 升校核計(jì)算，具體見(jiàn)第五章。如果部分元器件無(wú)法滿足散熱要求，則需耍提島風(fēng)速， 增加風(fēng)帚:，或進(jìn)行電氣或結(jié)構(gòu)方面的方案改進(jìn)，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(jì)算4.4節(jié)中確定的風(fēng)量

46、僅僅是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jié)溫在強(qiáng)迫風(fēng)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(jié)點(diǎn) (junction)的安全工作溫度范鬧(垠大值和推薦值)，結(jié)至冷卻空氣熱阻Rja,結(jié)至殼熱阻Rjc,結(jié)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(yīng)商提供的用八千冊(cè)小可以佇到),PCB板的層數(shù)，流過(guò)元器件的空氣溫度和 速度(由4.4節(jié)系統(tǒng)級(jí)估算獲得)?？疾旖Y(jié)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(yīng)取通

47、倍產(chǎn)品相應(yīng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高溫度或國(guó)外同類 產(chǎn)品的域高工作溫度，般電內(nèi)設(shè)備町取50C或45C,空外設(shè)備取55C?？?1溫升根 據(jù)風(fēng)最和總功耗確定。如果沒(méi)有提供Rja，就需耍運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算芯片表面換熱系數(shù)，并根據(jù)器件的表 面散熱最計(jì)算殼體溫升(5-2) 式中Q為通過(guò)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(shí)驗(yàn)系數(shù)，D為特征尺寸，由表5-1査出：為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)/W/nfC； Re為雷諾數(shù)。殼體到結(jié)點(diǎn)的溫升由下式計(jì)算Stjc = QRjc(5-4)最終，計(jì)算出的結(jié)點(diǎn)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(guò)表而對(duì)流散熱，還通過(guò)PCB板的導(dǎo)熱傳遞熱量。PCB的各層信號(hào) 層、地層和電源層都鋪有大而積的銅，綜合的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，整個(gè)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(yīng)盡最減小結(jié)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(jì)笄散熱量 在這兩條散熱路從(表而對(duì)流與PCB導(dǎo)熱)上的分配比例，但經(jīng)驗(yàn)表明對(duì)J BGA和 QFP這樣的封裝，表面無(wú)散熱器時(shí)，PCB導(dǎo)熱量將占總發(fā)熱最的50%或以上，表面加散 熱器時(shí)，表而熱阻大幅降低，則PCB導(dǎo)熱最將減小為很小一部分。有時(shí)盡管可根據(jù)熱阻參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)佔(zhàn)算獲得

49、元器件各n的結(jié)溫，但熱阻參數(shù)實(shí)際是 在標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試安裝條件下獲得的，實(shí)際各種元器件布在單板上時(shí)相互間散熱會(huì)有一定 影響，例如兒個(gè)大功率的芯片布置在佼近的距離散熱會(huì)比較惡劣，實(shí)際溫升會(huì)比計(jì)算 值高。而且鋪銅層數(shù)也會(huì)不一樣。所以垠好心布板的同時(shí)，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(lái)流風(fēng)速和溫度，即可計(jì)算出單板的溫度 分布與元器件溫升，確認(rèn)設(shè)計(jì)的安全性。利用仿真模型還可以考慮系統(tǒng)風(fēng)道產(chǎn)生的回 流或不均勻流場(chǎng)對(duì)單板散熱的影響。如果經(jīng)過(guò)熱阻參數(shù)或仿真計(jì)算確定元器件結(jié)溫超過(guò)其最犬值，則耍考慮安裝散熱

50、 器，具體設(shè)計(jì)選型方法見(jiàn)5.3節(jié)。表51不同情況下的常數(shù)b和m橫截面及風(fēng)向需諾數(shù)bm特征尺寸D氣流垂 直流過(guò) 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(zhǎng) 相同的圓形 截面宜徑, 如邊長(zhǎng)為 d的正方形 的水力苴徑為，對(duì)丁垂直流 過(guò)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(dòng)方向 平板長(zhǎng)度注：A為Reiher的研究結(jié)果，B為Hilpert的研究結(jié)果算例一：一個(gè)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(jié)點(diǎn)到尢體的熱阻為335,晶體管在9(TC結(jié)溫下能正常工作。晶體 管安裝在電路板上，如圖所示，當(dāng)掠過(guò)晶體管的空氣速度為1.3m/s時(shí)，求晶體管能否 正常工作。苗依管下空氣腺解：査得5(rc時(shí)空氣的物性參數(shù)為O晶體管的水力M徑為,用下式計(jì)

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(xì)導(dǎo)線與單板相連，通過(guò)單板的導(dǎo)熱帚可以忽略,則晶體管表面的溫升為結(jié)點(diǎn)到殼體的溫升為晶體管的結(jié)點(diǎn)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(duì)丁獨(dú)立半導(dǎo)體器件，熱源一般在PN結(jié)處.熱暈從PN結(jié)出發(fā)通過(guò)熱傳導(dǎo)傳至半 導(dǎo)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(duì)流方式傳向空氣5.1.1.3以傳導(dǎo)方式傳向附加散熱器或通過(guò)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(duì)流方式傳向空/（傳入空氣的熱最

53、在機(jī)箱內(nèi)以IH然或強(qiáng)迫對(duì)流方式傳出機(jī)箱外，完成散熱的歷程。 并在一定條件下達(dá)到熱平衡。5.1.2對(duì)于集成電路、大規(guī)模集成電路、微波半導(dǎo)體器件、混合半導(dǎo)體器件等，是多 PN結(jié)元器件，熱量從PN結(jié)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(dǎo)給散熱器，由散熱器通 過(guò)對(duì)流的方式與冷卻空氣換熱。在散熱器選型設(shè)計(jì)時(shí)，可以先忽略通過(guò)與PCB板的接 觸傳導(dǎo)的熱量，這本身將給設(shè)計(jì)留有一個(gè)裕度。熱阻、溫升、散熱最三者的關(guān)系可通過(guò)圖51的熱電類比圖諸楚地表達(dá)Tj RjcRes（）TsRsaTc圖51元器件散熱器組裝熱阻網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化圖Qt 元器件

54、的典型熱耗，WoTj 元器件的結(jié)溫（Junction temp.）,即發(fā)熱源的溫度,C。Rjc 結(jié)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)熱硅脂，或墊一層鋁 箔，或使用導(dǎo)熱絕緣雙而膠降低

55、接觸熱阻。對(duì)丁-般的24X24左右的芯片，表而涂有 均勻的薄層導(dǎo)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(jì)算出散熱器的熱阻，即可進(jìn)行選熨。一般 國(guó)外的散熱器供應(yīng)商會(huì)提供散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷熱阻特性曲線，如圖53所示風(fēng)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(zhàn)計(jì)或佔(zhàn)算流過(guò)單板的風(fēng) 速（對(duì)于一般的標(biāo)準(zhǔn)插框，如果使用氏徑120mm的風(fēng)扇，風(fēng)速一般在l2m/s左右：如 果使用小風(fēng)扇，風(fēng)速一般為0.51.5m/s）,査得對(duì)應(yīng)的熱阻值是否滿足耍求，如果過(guò) 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(guó)內(nèi)外協(xié)廠加工，廠家沒(méi) 有風(fēng)洞設(shè)備，不會(huì)提供熱阻曲線，選用時(shí)可以運(yùn)用熱仿真軟件