《電子裝備設(shè)計(jì)技術(shù)》課件第6章

第6章電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)技術(shù)6.1散熱原理6.2電子元器件的散熱6.3電子設(shè)備機(jī)內(nèi)散熱6.4箱體的通風(fēng)散熱 6.1散熱原理

熱是一種能量，熱能總是自然地從高溫向低溫方向傳遞。熱能傳遞的基本方式包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種形式。

無論是固體還是停滯的流體，當(dāng)它與介質(zhì)相互接觸并與介質(zhì)存在溫差時(shí)，兩者之間都會(huì)進(jìn)行熱交換，這種換熱稱為傳導(dǎo)換熱；當(dāng)運(yùn)動(dòng)著的流體與介質(zhì)表面存在溫差時(shí)，它們之間也會(huì)產(chǎn)生熱交換，這種換熱稱為對(duì)流換熱；具有一定溫度的表面，不管是否存在中間介質(zhì)，只要是依靠電磁波傳播方式進(jìn)行的熱量交換，都稱為輻射換熱。這三種換熱形式下的熱量交換過程對(duì)應(yīng)的即為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射方式。6.1.1傳導(dǎo)換熱

1.溫度梯度

在熱量傳遞過程中，通常用等溫面或等溫線來表示物體的溫度變化。某一瞬間物體內(nèi)部相同溫度點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)等溫面，通常是不規(guī)則的曲面，如與平面相交，其交線就是等溫線，為了說明溫度的變化率，通常將等溫面或等溫線法線方向的溫度變化增量與法線方向的距離之比取極限，稱為溫度梯度。圖6.1平板溫度梯級(jí)為便于說明，取一單層平板，厚度為δ，其高度與寬度很大，兩側(cè)表面分別維持均勻而恒定的溫度t1和t2，這時(shí)它的等溫面成為相互平行的平面，等溫線為相互平行的直線，如圖6.1所示。

此時(shí)的溫度梯度t′可用下式表示：（6.1）溫度梯度是一個(gè)矢量，其方向沿等溫面法線方向，并規(guī)定溫度增加的方向?yàn)檎颉Ｓ捎跍囟瓤偸菑母邷叵虻蜏胤较騻鬟f，因此熱傳遞的方向與溫度梯度方向相反。

2.導(dǎo)熱的基本定律

1）傅里葉定律

在純導(dǎo)熱的條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過給定面積的熱量與該處的溫度梯度及垂直于導(dǎo)熱方向的截面積成正比，這就是導(dǎo)熱的基本定律，又稱傅里葉（Fourier）定律。對(duì)于大塊平板，傅里葉定律可用公式表示為（6.2）式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)通過面積S的熱量，單位為W；S為垂直于導(dǎo)熱方向的橫截面面積，單位為m2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·℃）；dt/dx為溫度梯度，單位為℃/m。負(fù)號(hào)表示熱傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。

由式（6.2）可得，在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積所通過的熱量即熱流密度q為（6.3）對(duì)于大塊平板，上式可變換為（6.4）對(duì)上式積分，并代入相應(yīng)的條件（x=0時(shí)t=t1；x=δ時(shí)t=t2），并設(shè)（6.5）則經(jīng)整理可得：

（6.6）式中：Δt=t1-t2。

2）熱阻Rt

各類電子組裝設(shè)備溫升的控制，均可用其熱阻值來表征，由電子器件的結(jié)片至熱沉之間的總熱阻，可劃分為器件級(jí)、組裝級(jí)和系統(tǒng)級(jí)熱阻。

器件級(jí)熱阻又稱為內(nèi)熱阻，表示從發(fā)熱芯片或其他電路元器件的結(jié)片至元器件外殼之間的熱阻；組裝級(jí)熱阻又稱為外熱阻，表示熱流從元器件外殼流向某個(gè)參考點(diǎn)的熱阻，參考點(diǎn)的選擇可以是耗熱元件周圍的環(huán)境溫度、印制電路板的端部溫度，也可以是冷板某一點(diǎn)的溫度；系統(tǒng)級(jí)熱阻又稱為最終的熱阻，表示冷卻劑（空氣或液體）至終端熱沉的熱阻。

當(dāng)物體相互接觸時(shí)，兩接觸面不可能絕對(duì)平整、光滑，其間有一薄層空氣或其他介質(zhì)，在接觸面處將產(chǎn)生溫度降，由此引起的附加熱阻稱為接觸熱阻。影響接觸熱阻的因素包括接觸表面的平面度、粗糙度、硬度、清潔度、氧化程度以及壓力等。

3）導(dǎo)熱系數(shù)λ

導(dǎo)熱系數(shù)λ是一個(gè)表示物體導(dǎo)熱能力的物理量，是單位時(shí)間內(nèi)通過單位長(zhǎng)度溫度每下降1℃所傳遞的熱量。

不同物質(zhì)有不同的傳熱系數(shù)，通常金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體較小，氣體最小，如空氣可作隔熱夾層。結(jié)晶體比非結(jié)晶體材料有更高的導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于復(fù)合材料（例如，電子組裝中大量使用的硅脂或?qū)岣啵?，則取決于其組成成分本身的導(dǎo)熱系數(shù)。

對(duì)于傳熱系數(shù)很低的材料，可以把它定為隔熱材料。導(dǎo)熱系數(shù)小于0.23W/（m·℃）的材料稱為絕緣材料。

純金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的增加而減?。环墙饘俨牧系膶?dǎo)熱系數(shù)隨溫度的增加而增加；合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)由其合金含量的組成決定。表6.1各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)表6.2氣體和液體的導(dǎo)熱系數(shù)

3.加快傳導(dǎo)散熱的措施

（1）選用傳熱系數(shù)大的材料制造導(dǎo)熱零件，可降低熱阻，增大傳導(dǎo)熱量。如可用銅或鋁等材料做散熱器。

（2）盡量降低接觸熱阻。在多個(gè)零件接觸導(dǎo)熱時(shí)，因?yàn)閮山佑|面之間不可能絕對(duì)平整、光滑，所以實(shí)際接觸面很小。由于接觸面間存在空隙，而空氣的傳熱系數(shù)很小，實(shí)際上起著隔熱作用，也增加了接觸熱阻。

通常采用增大接觸面間的接觸壓力，降低接觸表面的粗糙度來增大接觸面；有時(shí)可在兩接觸面間涂硅油或墊銅箔等軟金屬箔等措施來降低接觸熱阻。

（3）盡量縮短熱傳導(dǎo)路徑。導(dǎo)熱路徑中不應(yīng)有絕熱或隔熱物體阻隔。

6.1.2對(duì)流換熱

1.自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流

根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的成因不同，對(duì)流換熱可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。

自然對(duì)流是由于流體冷熱不均、各部分密度不同而引起介質(zhì)自然運(yùn)動(dòng)的對(duì)流方式。因?yàn)榭諝?、水等介質(zhì)受熱后體積膨脹，其密度降低，所以受熱介質(zhì)上升，較冷的介質(zhì)就置換它原來的位置，形成了由溫差而引起的自然對(duì)流過程。

強(qiáng)迫對(duì)流是風(fēng)扇、水泵等機(jī)械力的作用促使流體運(yùn)動(dòng)，使流體高速地掠過發(fā)熱物體或高溫物體表面，從而加強(qiáng)對(duì)流作用，一般情況下強(qiáng)迫對(duì)流也伴隨著自然對(duì)流，但當(dāng)強(qiáng)迫對(duì)流足夠強(qiáng)時(shí)，自然對(duì)流往往可忽略不計(jì)。

2.對(duì)流換熱公式

固體表面和流體間的換熱量Q與它們的溫差及接觸面積成正比，這就是對(duì)流換熱的牛頓定律。Q=αSΔt（6.7）式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流的換熱量，單位為W；α為對(duì)流傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·℃）；Δt為散熱物體表面與冷卻流質(zhì)的溫差，單位為℃；S為散熱面積，單位為m2。式（6.7）中把影響對(duì)流散熱的各種因素歸結(jié)為對(duì)流傳熱系數(shù)α，α不僅與流體介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而且與對(duì)流的類型、流體速度、散熱物體的形狀、位置等因素有關(guān)。

3.加快對(duì)流換熱的措施

要增加對(duì)流換熱量，可以通過提高對(duì)流換熱系數(shù)或增大換熱面積和溫差來實(shí)現(xiàn)。

（1）加大溫差Δt，即降低散熱物體周圍的對(duì)流介質(zhì)的溫度。

（2）加大換熱面積，如增加散熱器或散熱片，并將散熱器做成肋片，并使肋片縱向與氣流方向一致，或做成直尾形和叉指形，這樣更有利于散熱。

（3）在整機(jī)設(shè)計(jì)中，正確安排進(jìn)出風(fēng)口，把發(fā)熱元件安排在有利于對(duì)流換熱的位置，并注意元件的大小，使要散熱的元件排在大元件的上游，以免被大元件擋住氣流。

（4）加大流體的流動(dòng)速度，選擇有利于對(duì)流換熱的流體介質(zhì)，如水比空氣好，以帶走更多的熱量。6.1.3輻射換熱

1.熱輻射過程與計(jì)算公式

熱輻射的投射、反射和折射規(guī)律與可見光線（0.35～0.75μm）基本相同，當(dāng)熱射線照射在物體上時(shí)，熱輻射總是一部分被吸收，一部分被反射，一部分穿透物體，從而進(jìn)行能量交換。被吸收的那部分能量使物體的溫度升高，而被反射及穿透的那部分能量落在其他物體上后也同樣產(chǎn)生反射、吸收、穿透的過程。由此可見，一個(gè)物體不僅是在不斷地輻射能量，而且還在不斷地吸收能量，這種能量的傳遞現(xiàn)象就是輻射換熱的過程。圖6.2輻射能量分布圖解如圖6.2所示，若物體上的全部輻射能量為Q0，其中物體的吸收能量為QA，反射能量為QR，穿透能量為QD，則總的輻射能量與吸收能量、反射能量、穿透能量之間的關(guān)系式滿足式（6.8）。（6.8）將上式兩邊分別除以Q0可得（6.9）上式可表示為（6.10）

A、R、D的數(shù)值不僅與物體的性質(zhì)有關(guān)，而且與物體的溫度和輻射的波長(zhǎng)有關(guān)，其值在0～1之間變化。

不同的物體對(duì)輻射能量的吸收、反射和穿透各不相同，物體的性質(zhì)也不同，表6.3說明了幾種典型物體對(duì)能量的吸收、反射和穿透的特殊情況。表6.3典型物體的能量輻射一個(gè)物體總的輻射能量是放熱還是吸熱，取決于該物體在同一時(shí)期內(nèi)放射和吸收輻射能之差。輻射傳遞的熱量Q可由下式?jīng)Q定。（6.11）式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)輻射傳遞的熱量，單位為W；系數(shù)5.67為黑體輻射系數(shù)，單位為W/（m2·K4）；ε為輻射體表面的黑度；S為輻射體表面的面積，單位為m2；T1、T2為輻射表面、被加熱表面的絕對(duì)溫度，單位為K。式（6.11）亦可寫成下式

（6.12）表6.4常見物體的黑度值得注意的是，若公式（6.12）中的Q為正值，說明物體放熱，即物體輻射強(qiáng)于吸收；Q為負(fù)值時(shí)，說明物體處于吸熱狀態(tài)，此時(shí)吸收大于輻射。在面積相同時(shí)，表面黑度越高，其放熱或吸熱能力越大，即Q的絕對(duì)值越大。物體的輻射能力越強(qiáng)時(shí)，其吸收能力也越強(qiáng)。如黑色物體，當(dāng)本身溫度高于外界溫度時(shí)，其對(duì)外界輻射能力最強(qiáng)；當(dāng)外界溫度高于本身溫度，其吸收熱能也最多。

物體輻射的能力可以用輻射力E來表示，它表示單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積所放射的輻射能量。

2.熱輻射基本定律

（1）普朗克定律：物體熱輻射的能量不僅和溫度有關(guān)，而且隨波長(zhǎng)而變化。普朗克定律反映了在不同溫度下輻射能按波長(zhǎng)分布的規(guī)律。

（2）四次方定律：黑體的輻射能量與其絕對(duì)溫度的四次方成正比，用公式表示為（6.13）式中：σ0為黑體輻射常數(shù)，其值為5.67×10-8W/（m2·K4）。工程中常用下式代替，即（6.14）

式中：C0為黑體輻射系數(shù)，其值為5.67W/（m2·K4）。（3）基爾霍夫定律：任何物體的輻射力和吸收率之比與物體的性質(zhì)無關(guān)，恒等于同溫度下絕對(duì)黑體的輻射力。

基爾霍夫定律的表達(dá)式為（6.15）式中：E1，E2，E3，…為物體的輻射力；A1，A2，A3，…為物體的吸收率；E0為黑體的輻射力。由于各物體的吸收率總是小于1，所以在任一溫度下，各種物體的輻射力以絕對(duì)黑體為最大。根據(jù)公式（6.15）可知，物體的輻射力越大，其吸收率越大，即善于反射的物體，輻射也小。

3.加快輻射換熱的措施

（1）粗糙的表面熱輻射能力強(qiáng)。通常將發(fā)熱元件外的屏蔽罩殼涂覆有色漆，散熱片表面涂黑色或粗糙的有色漆。對(duì)熱敏感的元件，其表面應(yīng)做得光亮、平滑，以減少輻射熱的吸收。對(duì)玻璃外殼的電子管，由于玻璃的輻射系數(shù)近似于黑漆的輻射系數(shù)，故其殼不用涂黑。

在高溫下，熱輻射的換熱效果往往大于熱對(duì)流的換熱效果，所以對(duì)高溫元件，常在內(nèi)、外表面涂以黑色粗糙的漆，以增加熱輻射的作用。（2）加大輻射體周圍環(huán)境的溫差，即輻射體周圍介質(zhì)溫度越低越好。

（3）加大輻射體的表面積、體積，即從散熱效果的角度出發(fā)，散熱器的面積越大越好。

電子設(shè)備實(shí)際使用過程中熱量的交換包含了傳導(dǎo)換熱、對(duì)流換熱和輻射散熱，幾種換熱過程同時(shí)存在，是一種復(fù)合換熱的過程。 6.2電子元器件的散熱

6.2.1溫度對(duì)元器件的影響

1.晶體管

晶體管的結(jié)溫是由晶體管的耗散功率、環(huán)境溫度以及散熱情況決定的，晶體管的結(jié)溫對(duì)其工作參數(shù)及可靠性有很大影響。溫度升高，將引起晶體管的工作點(diǎn)漂移，增益不穩(wěn)定，可能造成多級(jí)放大器自激或振蕩器頻率不穩(wěn)定。溫度過高，將造成晶體管的熱擊穿。

2.阻容器件

溫度升高將導(dǎo)致電阻的使用功率下降，使電阻器的阻值發(fā)生變化，溫度每變化10℃，電阻值約變化1％。如RJ-0.125W金屬膜電阻，當(dāng)環(huán)境溫度為70℃時(shí)，允許使用功率為標(biāo)稱值的100％；當(dāng)環(huán)境溫度為125℃時(shí)，允許使用功率僅為標(biāo)稱值的20％。

溫度對(duì)電容器的影響主要表現(xiàn)在降低其使用壽命，當(dāng)電容在超過允許的溫度下工作時(shí)，溫度每升高10℃，其使用壽命要下降一半，同時(shí)，溫度的變化也將引起電容器的容量、功率因數(shù)等參數(shù)的變化。表6.5常用阻容器件的允許工作溫度

3.集成電路組件

溫度過高將影響集成電路的工作性能，甚至造成集成電路的熱損壞，使用中應(yīng)控制結(jié)溫，不應(yīng)超過允許工作范圍。

4.變壓器和扼流圈

溫度對(duì)變壓器和扼流圈的影響主要表現(xiàn)在降低其使用時(shí)間，使得它們的絕緣性能下降。通常變壓器和扼流圈的允許溫度為95℃。

5.微波器件

微波器件包括微波管和微波半導(dǎo)體器件，溫度對(duì)微波管的影響主要表現(xiàn)為，溫度將影響微波管的諧振頻率、工作效率、工作穩(wěn)定性及壽命。

6.電真空器件

過高的溫度將對(duì)真空器件的玻璃卡和內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，使電真空器件內(nèi)產(chǎn)生氣體，從而使真空器件的真空度下降，影響其工作性能；同時(shí)使器件內(nèi)的氣體電離，離子轟擊陰極，破壞其涂覆層，導(dǎo)致發(fā)射率下降，降低其工作壽命；溫度過高也將導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生熱效應(yīng)而損壞。6.2.2元器件的散熱

1.晶體管的散熱

對(duì)于功率在100mW以下的小功率晶體管，主要依靠晶體管表面的對(duì)流散熱及引線傳導(dǎo)散熱，不考慮散熱措施；對(duì)于功率為100mW至1W的晶體管，主要依靠加簡(jiǎn)單的散熱器進(jìn)行散熱；對(duì)于功耗大于1W的大功率晶體管，其散熱主要通過選擇合適的散熱器，并在功率管和散熱器之間加墊片，減小接觸熱阻的方法進(jìn)行散熱。

2.阻容器件的散熱

1）電阻的散熱

電阻的溫升與功率損耗、電阻結(jié)構(gòu)與尺寸、表面狀態(tài)、與其他元件的距離、安裝位置及周圍環(huán)境有關(guān)。當(dāng)電阻通過電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，熱量的大小與其本身的功率損耗有關(guān)。

在正常環(huán)境下，功率損耗小的電阻（如0.5W以下）一般是通過本身輻射、對(duì)流和固定連接片或兩端引線的傳導(dǎo)進(jìn)行散熱，其中傳導(dǎo)散熱的散熱量占50%，對(duì)流散熱占40%，輻射散熱占10%。對(duì)于功率損耗較大的電阻，除了利用上述的散熱方式外，陶瓷電阻、琺瑯電阻和玻釉電阻的外皮層也是一個(gè)良好的散熱裝置。另外，為加強(qiáng)電阻輻射散熱能力，電阻表面通常涂以無光澤的粗糙漆。

電阻的溫升除與其自身的功率損耗有關(guān)外，還與電阻使用時(shí)的承耗比有著密切的關(guān)系，承耗比是指電阻實(shí)際工作的功率與電阻額定使用功率之比。承耗比越大，電阻的溫升越高，電阻的失效率也越大。對(duì)琺瑯電阻的表面溫度一般應(yīng)控制在150℃左右，其承耗比一般為20%～40%，常用承耗比為1/3較為穩(wěn)妥。隨著使用的環(huán)境不同，電阻的額定功率也會(huì)發(fā)生變化，由于電阻組合方式的使用將導(dǎo)致額定功率下降，當(dāng)使用幾個(gè)電阻并列組合時(shí)，若相互之間距離留位不充分，就會(huì)產(chǎn)生不利情況。當(dāng)氣壓降低時(shí)，空氣的密度降低，使熱傳導(dǎo)率降低，這樣由于空氣對(duì)流的散熱量降低，額定功率也會(huì)下降。

2）電容的散熱

電容的參數(shù)包括額定電壓（耐壓）、電容量、絕緣電阻、損耗因數(shù)等，它們的大小都直接與溫度有關(guān)。溫度升高，對(duì)所有參數(shù)都有害，電容是一種極易受溫度影響的元件。

要使電容處于正常工作狀態(tài)，應(yīng)將電容與高溫元件隔離，還應(yīng)注意盡量降低電容的承壓比。承壓比是指電容的實(shí)際工作電壓與其額定電壓之比。承壓比越高，電容自身的發(fā)熱量越大，其故障率也越高；環(huán)境溫度越低，承壓比越小，則故障率越低。

3.集成電路的散熱

集成電路及復(fù)合固態(tài)器件的散熱與小功率晶體管相似，其引線數(shù)比較多，可供自然對(duì)流的面積大，功耗較大的集成電路常利用導(dǎo)熱條進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。

4.變壓器和扼流圈的散熱

變壓器的熱源是鐵芯和線包，其自然散熱的途徑對(duì)變壓器本身而言主要是熱傳導(dǎo)，外部散熱主要是熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)，其次是熱輻射。

變壓器通常包括不帶罩變壓器和帶罩變壓器兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)于無外罩的變壓器，要求鐵芯與支架、支架與底板間應(yīng)接觸良好，或鐵芯與底板直接接觸，以降低熱阻；對(duì)于帶罩的變壓器，其外罩也應(yīng)與支架或底板接觸良好；為了提高對(duì)流散熱效果，可將變壓器墊起一定高度，并在底板上開設(shè)通風(fēng)孔，變壓器的外罩涂覆黑色等無光澤的漆可提高熱輻射能力。

扼流圈和電感器的鐵芯損耗比較低，其散熱處理方法與變壓器相同。

5.電子管的散熱

對(duì)于不帶屏蔽罩的電子管，其在空間的散熱方式主要是輻射和對(duì)流，為了改善散熱條件，電子管及其他元器件安裝不宜過擠，最好采用垂直安裝。

對(duì)于帶有屏蔽罩的電子管，其屏蔽罩不僅具有屏蔽的作用，而且還有適當(dāng)?shù)纳嶙饔谩Ｆ渖嵬緩绞牵浩帘握治詹Ａさ臒彷椛?，通過屏蔽罩的導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等方式將熱量傳出去。因此，屏蔽罩的內(nèi)表面應(yīng)經(jīng)無光氧化處理，使其具有較高的吸收率，以利輻射散熱；屏蔽罩的外表面也應(yīng)是無光澤的。同時(shí)屏蔽罩的頂部應(yīng)開通風(fēng)口，以利對(duì)流散熱。6.2.3散熱器的選用

晶體管在電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，工作過程中溫度的升高將影響其工作性能和技術(shù)參數(shù)，必須采取散熱措施。為了保證晶體管工作的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)于大功率的晶體管，通常是將晶體管安裝在合適的散熱器上，散熱器的外表面積較大，利用散熱器的自然對(duì)流和輻射可以加快晶體管的散熱量和散熱速度。

1.晶體管散熱原理

由于集電結(jié)存在內(nèi)阻，流過電流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，使集電結(jié)溫度升高，此溫度即為集電結(jié)結(jié)溫，用Tj表示，這是溫度最高的地方。熱量由集電結(jié)傳給管殼，使管殼溫度上升，管殼溫度為Tc，因此在集電結(jié)與管殼之間存在著熱阻Rtj，為晶體管的內(nèi)熱阻。管殼傳熱有兩條路徑：一路把熱量傳給散熱器，此時(shí)散熱器的溫度為Tf，在管殼與散熱器之間存在熱阻Rtc，稱為晶體管的接觸熱阻。散熱器把熱量通過對(duì)流及輻射散發(fā)到周圍環(huán)境中，設(shè)環(huán)境溫度為Ta，則散熱器與環(huán)境之間存在的熱阻Rtf叫做散熱器熱阻。另一路為管殼通過對(duì)流與輻射，把熱量直接傳播到周圍環(huán)境，這時(shí)在管殼與周圍環(huán)境之間亦存在熱阻Rtv，若把晶體管的耗散功率Pc視為熱源，Rtf和Rtv相當(dāng)于并聯(lián)，由于管殼的面積比散熱器面積小很多，因此，Rtv遠(yuǎn)大于Rtf，可忽略不計(jì)，可以推算出下列計(jì)算公式。（6.16）式中：Pc為晶體管耗散功率，單位為W；Tj為晶體管集電結(jié)溫度，單位為℃，晶體管的允許最高結(jié)溫與其所用半導(dǎo)體材料（硅、鍺）有關(guān)，具體數(shù)值可從晶體管手冊(cè)中查到；Ta為環(huán)境溫度，單位為℃；Rtj為晶體管集電結(jié)和管殼之間的熱阻，單位為℃/W，各種型號(hào)晶體管的熱阻值可在晶體管手冊(cè)中查到；Rtc為晶體管管殼與散熱器之間的接觸熱阻，單位為℃/W，接觸熱阻隨晶體管管座與散熱器的接觸狀態(tài)、接觸表面情況而定；Rtf為散熱器熱阻，單位為℃/W。

2.常用散熱器

最常用的散熱器包括平板型散熱器、叉指型散熱器、鋁型材散熱器、輻射型散熱器和針狀散熱器。其中叉指型散熱器和鋁型材散熱器目前已標(biāo)準(zhǔn)化，使用時(shí)可查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或使用手冊(cè)。

（1）平板型散熱器。平板型散熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、取材容易，也可以利用電子設(shè)備的機(jī)殼或底座作為散熱器，直接把晶體管裝在上面，特別是機(jī)殼，直接與外界空氣接觸，散熱條件好，經(jīng)濟(jì)、可靠，可將機(jī)殼作為平板散熱器用。（2）鋁型材散熱器。鋁型材散熱器是由鋁合金擠壓成型的具有平行肋片的型材制成，利用肋片來增加散熱面積，形成一條條空氣對(duì)流槽，以提高散熱效果，它在較大功耗下具有較小的熱阻，因而散熱能力強(qiáng)，目前應(yīng)用較廣泛。

（3）叉指型散熱器。叉指型散熱器是用約3mm厚的鋁板沖制成型，使其參差排列，因而增加了散熱面積，又由于其“指”向上直彎，從而改善了對(duì)流效果，同時(shí)避免了因“指”間的相互輻射吸熱而降低輻射傳熱的缺點(diǎn)，其散熱系數(shù)比鋁型材散熱器大。（4）輻射型散熱器。

輻射型散熱器的肋片對(duì)外有張角，改變了鋁型材散熱器在輻射方面的缺點(diǎn)，其對(duì)流、輻射作用較好，缺點(diǎn)是內(nèi)徑與管的外徑難以很好地接觸，接觸熱阻加大，限制了它的使用。

（5）針狀散熱器。

針狀散熱器是在鋁板上等間距地密布針形的小柱，利用針表面進(jìn)行對(duì)流、輻射散熱，因針的數(shù)量較多，所以散熱面積較大，具有良好的散熱效果。

3.散熱注意事項(xiàng)

（1）散熱器的選用。散熱器選擇的原則是在保證充分散熱的前提下，應(yīng)盡量選用體積小、重量輕的散熱器，這樣可節(jié)省機(jī)內(nèi)空間，減少設(shè)備的總重量。

（2）散熱器的安裝。安裝散熱器時(shí)應(yīng)盡量選用散熱熱阻小的安裝方式。

（3）盡量減小界面熱阻。散熱器表面應(yīng)平整、光潔，為減少散熱器與晶體管間的接觸熱阻，應(yīng)注意保持二者界面間的平整與光潔。如果界面既平整、光潔，又無氧化層時(shí)，其間可不加墊片，否則應(yīng)涂以硅脂或加裝導(dǎo)熱墊片。（4）散熱器的涂覆。為增加散熱器的輻射能力，散熱器表面應(yīng)涂一層黑色油漆或氧化物等高輻射系數(shù)的涂層，應(yīng)優(yōu)先選用具有黑色涂層的散熱器，并應(yīng)保護(hù)涂層不受損壞。

（5）散熱器的安裝。在散熱器上安裝晶體管時(shí)，其安裝孔的尺寸應(yīng)與晶體管引線的尺寸相符，孔不宜太大，也不宜太小，太大會(huì)影響散熱效果，太小會(huì)使引線與散熱器相碰，造成短路。（6）晶體管的安裝位置。晶體管應(yīng)安裝于散熱器的中心。若在同一散熱器上裝多個(gè)管子時(shí)，可先近似地按晶體管功耗的比例將散熱器分割成幾部分，每個(gè)管子盡量放在相應(yīng)部分的中心位置，這樣可使散熱器均勻受熱，提高散熱效率。

（7）散熱器的安放位置。應(yīng)盡可能使散熱器直接接觸設(shè)備外部的空氣流，使環(huán)境溫度Ta降低，同時(shí)可提高散熱器對(duì)流換熱的效果。當(dāng)散熱器必須置于設(shè)備內(nèi)部時(shí)，應(yīng)安裝在機(jī)內(nèi)自然對(duì)流較強(qiáng)的地方。 6.3電子設(shè)備機(jī)內(nèi)散熱

6.3.1元器件布局散熱

1.元器件散熱措施

在進(jìn)行電子設(shè)備機(jī)內(nèi)空間的熱設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解設(shè)備及元器件的熱特性及環(huán)境條件等因素，合理地布局、安裝元器件以利自然散熱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，電子設(shè)備內(nèi)部元器件散熱常采取下列措施：

（1）在安裝發(fā)熱元器件時(shí)，元器件的引線應(yīng)盡量短。安裝布置元器件、零部件時(shí)應(yīng)貼近安裝面，以便傳導(dǎo)散熱。（2）減少接觸熱阻。安裝元器件時(shí)，最好貼緊安裝面，采用固定夾或螺釘固定并壓緊，同時(shí)，在接觸面處涂以導(dǎo)熱硅脂。

（3）保證氣流有足夠的自然對(duì)流通道。元器件、零部件及機(jī)箱側(cè)壁三者相互之間的距離應(yīng)便于自然對(duì)流。底座、隔熱板、屏蔽板等設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足強(qiáng)度和剛度條件下，應(yīng)留有足夠的自然對(duì)流通道，并減小氣流阻力。

如圖6.3所示，元器件之間、板壁之間建議采用下列最小相鄰位置尺寸。圖6.3元器件之間的距離與尺寸關(guān)系鄰近的垂直發(fā)熱表面，d/L=0.25；鄰近的垂直發(fā)熱表面與冷表面，d=25mm；鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的上表面之間，d/D＝0.85；鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的垂直表面之間，d/D=0.7；鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的水平表面之間，d/D=0.65。（4）在電路允許的情況下，元器件應(yīng)根據(jù)其熱特性按氣流方向排列，使它們?cè)跉饬魍ǖ郎?，并與氣流直接進(jìn)行熱交換。將熱敏元件或耐熱差的元件放在進(jìn)風(fēng)口處，即氣流上游；將耐熱或發(fā)熱量大的元件放在出風(fēng)口處，即氣流下游。（5）注意減小氣流阻力，同時(shí)應(yīng)防止氣流短路。

若機(jī)箱內(nèi)的底板、隔熱板、屏蔽板等大面積的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能阻礙自然對(duì)流的氣流，從而造成較大的阻力。固定印制板采用“空格式”結(jié)構(gòu)，即用合金條支持印制板插座，在具有較高的機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，使氣流流動(dòng)的阻力減小；若采用大面積底板，則擋住了機(jī)箱底部的通風(fēng)孔，使空氣不得不拐彎并流過較長(zhǎng)的路徑，這樣很不利于自然對(duì)流。尤其是當(dāng)?shù)装迮c機(jī)箱底部之間的距離過小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的阻力。

同樣，機(jī)箱內(nèi)的大面積器件如印制板，應(yīng)使其板面方向與氣流流動(dòng)方向保持一致，這樣對(duì)流時(shí)就具有較小的阻力。同時(shí)，為了保證整個(gè)電子設(shè)備能得到充分的熱交換，應(yīng)注意消除自然對(duì)流的死區(qū)，避免造成局部散熱不良。（6）機(jī)箱開孔大小及位置應(yīng)與內(nèi)部發(fā)熱元件的位置相一致，盡量提高進(jìn)、出風(fēng)口的高度差。這是因?yàn)槔?、熱空氣的密度不同引起了空氣的自然?duì)流，機(jī)箱進(jìn)、出風(fēng)口的高度差越大，其溫差越大，進(jìn)、出風(fēng)口的空氣密度差也就越大，則對(duì)流散熱效果越好。

2.元器件的布局

為保證氣流有足夠的自然對(duì)流通道，元器件、零部件及機(jī)箱側(cè)壁三者相互之間應(yīng)保持一定的距離。

在電路允許的情況下，元器件應(yīng)根據(jù)其熱特征按氣流方向排列，使它們?cè)跉饬魍ǖ郎?，并與氣流直接進(jìn)行熱交換。應(yīng)將熱敏元件或耐熱差的元件放在進(jìn)風(fēng)口處（即氣流上游），而將耐熱或發(fā)熱量大的元件放在出風(fēng)口處（即氣流下游），這樣可以防止熱量在機(jī)箱內(nèi)擴(kuò)散。如印制板上混合安裝各種集成電路時(shí)，應(yīng)注意將功率大、發(fā)熱量大的集成電路放于氣流上游（入口處），將小功率、發(fā)熱量小的集成電路放于氣流的下游（出口處），這樣可使整個(gè)印制板上元件的溫度較為均勻。又如，在布置元器件時(shí)應(yīng)將不耐熱的元器件（如電解電容）放在氣流的上游，而將本身發(fā)熱又耐熱的元件，如電阻、變壓器等放在氣流的下游。對(duì)流散熱主要是由于空氣的流動(dòng)，氣流總是向風(fēng)阻較小的地方流動(dòng)，如果元器件配置不當(dāng)，氣流就不會(huì)沿預(yù)定的路線流動(dòng)，將導(dǎo)致部分元器件過熱，因此應(yīng)減小需散熱部位（指需散熱的元器件位置）的風(fēng)阻。當(dāng)印制板上的元器件全部需散熱時(shí)，應(yīng)使風(fēng)阻均勻。

3.元器件的熱隔離

若同一機(jī)箱內(nèi)同時(shí)具有較大發(fā)熱量的元器件和對(duì)溫度敏感的元器件，可在二者之間加裝隔熱板，隔開發(fā)熱體對(duì)受熱體的熱幅射及熱傳導(dǎo)。需要注意的是，隔熱板的安放及元器件的布置應(yīng)有利于散熱，不應(yīng)構(gòu)成一個(gè)新的散熱障礙或新的熱干擾源，這可以作為安裝隔熱板的一個(gè)原則。

電阻、晶體管等發(fā)熱元器件應(yīng)考慮靠近底板或機(jī)殼安裝。在不影響電性能的情況下進(jìn)行“熱接地”，即把元件的“一極”接到機(jī)殼或底板等溫度較低的結(jié)構(gòu)件上，以利于散熱。6.3.2電路板安裝位置

在確定印制電路板的安放時(shí)，應(yīng)注意印制板的位置排列。若設(shè)備內(nèi)只有一塊印制板，印制板垂直放置或水平放置，元件溫升幾乎沒有區(qū)別。但大多數(shù)設(shè)備的內(nèi)部都使用幾塊或幾十塊印制電路板，這時(shí)印制板應(yīng)垂直并列安裝，以利于自然對(duì)流換熱。在自然通風(fēng)的條件下，一樣大小的印制板（元件高20mm左右）之間的配置間隔至少應(yīng)在30mm以上，最好在35mm左右。當(dāng)機(jī)箱內(nèi)要同時(shí)裝多塊電路板時(shí)，應(yīng)注意電路板本身在設(shè)備中的安裝方向與位置。從散熱的角度考慮，安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)有助于形成空氣對(duì)流的通道，利用散熱和空氣的對(duì)流，散熱效果較好。若印制電路板在安放設(shè)計(jì)時(shí)，印制板本身阻礙了空氣的流動(dòng)，則不利于通風(fēng)和散熱。若同時(shí)將發(fā)熱量大的電源、變壓器及功率損耗大的電阻等器件安放在下部，而將對(duì)溫度較敏感的半導(dǎo)體器件安放在上部，則會(huì)造成上部的元器件受熱影響。因此不論是從散熱效果考慮，還是從溫升所引起的噪聲干擾角度考慮，都應(yīng)從有利于散熱的角度出發(fā)。電路板在設(shè)備內(nèi)應(yīng)盡量垂直安放，并且能使空氣從下至上形成自然對(duì)流通道，中間不應(yīng)有阻礙氣流的元器件。電路板除了應(yīng)按電路功能設(shè)計(jì)外，還應(yīng)考慮按發(fā)熱量大小歸類。同一塊印制板中若同時(shí)存在發(fā)熱量大的元器件和怕熱的元器件，應(yīng)采取隔熱措施，同時(shí)在安裝時(shí)應(yīng)注意方向，使發(fā)熱量大的元器件靠上安放，怕熱元器件靠下安放。6.3.3散熱總體布局

在進(jìn)行電子設(shè)備的總體布局時(shí)，應(yīng)合理布置進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的位置，盡量增大進(jìn)、出風(fēng)口之間的距離和它們的高度差，應(yīng)力求減小設(shè)備內(nèi)部空氣的流動(dòng)阻力。對(duì)于大面積的元器件及結(jié)構(gòu)件，應(yīng)特別注意其安放位置，它們有可能會(huì)阻斷氣流。若在空氣流通路徑中無大面積結(jié)構(gòu)件，則散熱良好；若有大面積底板擋住空氣流通的路徑，則流阻較大，不利于散熱。 6.4箱體的通風(fēng)散熱

6.4.1自然散熱與強(qiáng)迫散熱

1.電子設(shè)備機(jī)箱的散熱方法

電子設(shè)備箱體常用的散熱方法包括自然散熱、強(qiáng)迫通風(fēng)散熱、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻、半導(dǎo)體制冷、熱管傳熱等。通常最常用的方法是自然散熱及強(qiáng)迫通風(fēng)散熱。確定電子設(shè)備散熱的基本依據(jù)是設(shè)備的總發(fā)熱量。溫升與電子設(shè)備單位面積消耗功率的關(guān)系曲線如圖6.4所示，該曲線提供了電子設(shè)備的實(shí)際耗散功率P（輸入與輸出功率之差，單位為W）與設(shè)備的單位面積S（設(shè)備的面積，單位為m2）之比與溫升之間的大致關(guān)系。從圖中可見，30℃為基準(zhǔn)線，當(dāng)溫升超過30℃時(shí)，通?？刹捎脧?qiáng)迫散熱的方法；當(dāng)溫升低于30℃時(shí)，通?？刹捎米匀簧岬姆椒āD6.4溫升與電子設(shè)備單位面積消耗功率的關(guān)系

例6.1有一直流穩(wěn)壓電源，其輸入功率為600W，直流輸出功率為250W，設(shè)其機(jī)箱的外形尺寸為435mm（寬）×230mm（高）×440mm（長(zhǎng)），判斷能否采用自然散熱？

解設(shè)機(jī)箱的表面積為S，則有S=2×（0.435×0.230+0.435×0.440＋0.230×0.440）

=0.785（m2）≈0.8（m2）設(shè)該設(shè)備的內(nèi)部耗散功率為P，則有P=600-250=350（W）

例6.2設(shè)有一臺(tái)穩(wěn)壓電源，電源機(jī)箱尺寸為300mm×450mm×350mm，輸出電壓為0～30V