艾默生電子設(shè)備的自然冷卻熱設(shè)計(jì)規(guī)范

admin 2011-09-22

6 產(chǎn)品的熱測(cè)試
6.1 進(jìn)行產(chǎn)品熱測(cè)試的目的
6.1.1熱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化
對(duì)不同的方案進(jìn)行比較，確定較優(yōu)的散熱設(shè)計(jì)方案。
6.1.2熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證
檢驗(yàn)熱設(shè)計(jì)的合理性與有效性，驗(yàn)證產(chǎn)品的有關(guān)熱設(shè)計(jì)指標(biāo)是否滿足產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證判定標(biāo)準(zhǔn)。
6.2熱測(cè)試的種類及所用的儀器、設(shè)備
6.2.1溫度測(cè)試
6.2.1.1溫度測(cè)試的項(xiàng)目
? 設(shè)備內(nèi)部環(huán)境溫度
? 機(jī)箱表面溫升（自然對(duì)流換熱時(shí)測(cè)量）
? 關(guān)鍵元器件和發(fā)熱元器件的表面溫升
? 散熱器和冷板的熱點(diǎn)溫升
? 冷卻空氣入口溫度與出口溫升
6.2.1.2 溫度測(cè)量?jī)x器類型
溫度測(cè)量?jī)x器包括熱電偶、玻璃溫度計(jì)、示溫漆和示溫蠟、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻、光學(xué)溫度計(jì)、紅外掃描系統(tǒng)等。
6.2.1.3 熱電偶
6.2.1.3.1 熱電偶的選擇
熱電偶的種類較多，就通信設(shè)備來講，由于我們?cè)O(shè)備的溫度一般低于200℃以下，在該范圍內(nèi)銅-康銅或鎳鉻-銬銅熱電偶具有較高的精度，為K型熱電偶，其分度值應(yīng)符合GB 2903和GB 4993的規(guī)定。熱電偶的測(cè)試精度為±0.1℃。
6.2.1.3.2 熱電偶的焊接方法
通常采用熔焊的方法把銅-康銅或鎳鉻-銬銅焊接在一起，不允許采用把銅-康銅絲直接鉸在一起的方法。
6.2.1.3.3 熱電偶的粘接方法及減小測(cè)量誤差的措施
熱電偶采用導(dǎo)熱膠粘接粘貼在被測(cè)表面，為了保證測(cè)試結(jié)果的精度，熱電偶探頭固定在測(cè)溫表面上時(shí)，必須將一段熱電偶導(dǎo)線沿測(cè)溫面的等溫線布置，這樣可以消除熱電偶導(dǎo)線本身導(dǎo)熱而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)大于10mm，如圖10所示
圖10 熱電偶與被測(cè)表面的接觸形式
6.2.1.3.4 與熱電偶配套的檢測(cè)儀表
熱電偶的溫度檢測(cè)通常采用多路采集器，如FLUKE公司的Hydra logger 及日本恒河公司的DR230系列等。測(cè)試精度為±0.1℃。
6.2.1.4玻璃溫度計(jì)
玻璃液體溫度計(jì)通常用來測(cè)量流體溫度和校準(zhǔn)其它的測(cè)溫儀器如熱電偶等。玻璃溫度計(jì)的精度可以達(dá)到±0.01℃。
6.2.1.5 示溫漆與示溫蠟
示溫漆是一種隨溫度變化而變化的漆，漆的顏色變化達(dá)四種之多，不同的顏色代表不同的溫度。示溫漆還可以用于顯示某個(gè)區(qū)域的溫度場(chǎng)及熱流模式。
示溫蠟是在特定的溫度下熔化的蠟狀物質(zhì)，從而顯示出溫度。
示溫漆與示溫蠟的精度較差，一般在±5℃(±9℉)
6.2.1.6 電阻溫度計(jì)
電阻溫度計(jì)與熱電偶的原理及用途相似，兩者均因輻射影響而產(chǎn)生誤差。其精度為±0.1℃。
6.2.1.7 熱敏電阻
熱敏電阻遵循電阻測(cè)溫學(xué)的原理，由于它的溫度系數(shù)很大，所以靈敏度高得多，其缺點(diǎn)是容易老化，需進(jìn)行定期校準(zhǔn)，其測(cè)試精度為±0.1℃。
6.2.1.8 光學(xué)溫度計(jì)、紅外掃描系統(tǒng)等。
光學(xué)溫度計(jì)、紅外掃描系統(tǒng)均通過測(cè)量一個(gè)熱源的紅外輻射而得到溫度。其測(cè)試精度最高可以達(dá)到±0.3℃。由于測(cè)量時(shí)必須準(zhǔn)確知道被測(cè)表面的發(fā)射率且要求被測(cè)表面必須可見，限制了它們的使用。
7 附錄
7.1 元器件的功耗計(jì)算方法
根據(jù)實(shí)際使用工況，諸如工作電流，導(dǎo)通壓降等以及元器件的其它電氣參數(shù)計(jì)算元器件實(shí)際的功耗大小。元器件的種類不同，其功耗計(jì)方法也不一樣，具體計(jì)算方法如下：
7.1.1電阻
電阻的發(fā)熱量由下式算得
P=I2R
或P=U2/R....………………(13)
I--流過電流值(A); R--電阻值(Ω)
U--電阻兩端的電壓(V)
7.1.2 變壓器
變壓器的包括銅損和鐵損兩部分
Pb= Pw+ Pc...………………....(14)
銅損按下式計(jì)算：
Pw =2³Ip³Np³Lp³Rz [2] . .(14a)
Ip-原邊有效電流， A
Np-原邊繞組的匝數(shù)，匝
Lp-每圈的平均長(zhǎng)度，cm
Rz-導(dǎo)線的阻抗，Ω/cm
鐵損按下式計(jì)算：
Pc=Pv³Ve[2]..…………....(14b)
Pv-單位體積的鐵損，w/cm3
Ve-鐵芯體積，cm3
變壓器的溫升按下式計(jì)算：
Δt=850Pb/As ....………(14c)
Pb-變壓器的總損耗，w
As-變壓器的表面積，cm2
7.1.3 功率器件耗散功率計(jì)算
7.1.3.1 雙極型晶體管(IGBT)
IGBT的功耗損耗主要由通態(tài)損耗(飽和損耗或穩(wěn)定損耗)及開關(guān)損耗兩部分，分別按下式計(jì)算：
通態(tài)損耗(飽和損耗或穩(wěn)定損耗)：
Pc=UCEIcδ[3]...………(15a)
開關(guān)損耗：
Ps=(1/2)UCEOIc(ton+toff)fs
= (Eon+Eoff)fs[3]..……....(15b)
總損耗：Pd=Pc+Ps ....……(15)
式中： UCE--通態(tài)集電極一發(fā)射極電壓(V)，給定值
UCEo--斷態(tài)集電極一發(fā)射極電壓(V)，給定值
Ic--通態(tài)電流(A)，給定值
δ--占空比，給定值
Eon,Eoff--開關(guān)能量(焦耳)，從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中查出。
fs--開關(guān)頻率，給定值
7.1.3.2 功率MOSFET
MOSFET的損耗包括開關(guān)損耗和通態(tài)損耗兩部分
通態(tài)功耗： Pd=IDS2RDS(ON)[3]……………………..(16a)
IDS--漏極電流，A,給定值
RDS(ON)-MOSFET在工作結(jié)溫下的通態(tài)熱阻，可按直接下式計(jì)算，也可以從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中查。
RDS(ON)(Tj)=Ro[1+α(Tj-25o)], Ω, 通態(tài)電阻
Ro--25℃時(shí)額定值，給定值
α--溫度系數(shù)，一般為：0.01
開關(guān)損耗：
開通時(shí)損耗： PON=IceoVcetofff[2]...………………....(16b)
開通過程損耗：Pr=IcVDStrf/6 = Ic2tr tr'f/6Crss [2]………………(16c)
關(guān)斷時(shí)損耗 Poff=IcVcestonf[2………………….(16d) 關(guān)斷過程損耗：Pf=IcVDStff/6＝Ic2tf

tf'f/6Coss [2]...………….(16e)
式中：Iceo－集電極與發(fā)射級(jí)間的穿透電流，A Ic--集電極電流，A
Vce－集電極與發(fā)射極間的電壓，V
Vceo-飽和壓降，V
ton，toff-開通及關(guān)斷時(shí)間，ns
tr,, tf-Vce的上升及下降時(shí)間，ns
tr', tf'-驅(qū)動(dòng)波形上升或下降時(shí)間，ns
Crss, Coss 朚OSFET 的輸入與輸出電容
MOSFET的總損耗為：
Ptotal=Pd+Pon+Poff+Pr+Pf.... .……………….. ....(16)
7.1.3.3 DC-DC開關(guān)變換器輸出整流用功率二極管
功率二極管的損耗包括通態(tài)損耗及開關(guān)損耗兩部分
通態(tài)損耗：Pd=VFIF.D[5]. .…………..(17a)
式中：VF－正向?qū)▔航?，V
IF.- 正向平均電流，A
D－占空比
開通損耗：Pon=IFVFRMtrrD f /1000[5]...………....(17b)
VRFM－正向恢復(fù)電壓，V
trr-反向恢復(fù)時(shí)間，ns
f-工作頻率，KHZ
關(guān)斷損耗：Poff=IRMKfVRtrrD f/2000[5]…………….………(17c)
IRM 朹反向漏電流，A
Kf-比例系數(shù)
VR-穩(wěn)態(tài)反向電壓，V
總功耗＝d+Pon+Poff.…………….(17)
7.2 散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法
根據(jù)給定的結(jié)構(gòu)尺寸，遵照散熱器的設(shè)計(jì)原則初步設(shè)計(jì)出一種散熱器，在按以下步驟進(jìn)行校核計(jì)算。
6.2.1散熱器的熱阻
散熱器的熱阻是從大的方面包括三個(gè)部分。
RSA=R對(duì)+R導(dǎo)+ R輻....…………………....(18)
R對(duì)=1/（αF1）.…………………(19)
F1--對(duì)流換熱面積(m)
α--對(duì)流換熱系數(shù),按下表計(jì)算
△T--散熱片與環(huán)境溫度之差
L-- 高(m)
R導(dǎo)＝R 基板＋R肋導(dǎo)
＝δ/(λF2)+（(1/η)-1）R對(duì)流....(20)
λ--導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.h.℃
δ-- 散熱器基板厚度(m)
F2--基板的導(dǎo)熱面積(m)
F2=0.785*(d+δ)2
d- 發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑（m)
η-- 肋效率系數(shù)
對(duì)直齒肋：
η=th(mb)/(mb)
m=(2α/λδ0)
α：對(duì)流換熱系數(shù)(w/m2.K)
λ.導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.K)
δ0：肋片根部厚度(m)
b. 肋高(m)
RSA＝δ/(λF2)＋1/(αF1η)..(21)
比較Rsa ≤[Rsa],如不滿足，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)散熱器形狀，重復(fù)上面的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到符合要求為止。
7.3自然冷卻產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)檢查模板
7.3.1 元器件的選擇、排列與安裝時(shí)的熱設(shè)計(jì)
? 是否了解元器件的熱阻及極限結(jié)溫？
? 是否了解元器件的安裝力矩及接觸熱阻？
? 是否分清了熱敏感元器件？
? 是否分清了發(fā)熱量大的元器件？
? 熱敏感元器件與發(fā)熱量大的元器件排列安裝是否合適？
? 發(fā)熱量大的元器件是否采用了散熱器進(jìn)行冷卻？
? 散熱器選用是否合適？設(shè)計(jì)是否合理？是否考慮了表面發(fā)黑？
? 發(fā)熱元器件的引線應(yīng)盡量短，印制線應(yīng)加寬。
? 接近發(fā)熱元器件的樹脂、線材等的耐熱是否充分？
? 由于熱引起的尺寸變化是否作了考慮？
? 元器件的排列是否考慮了煙囪效應(yīng)？
? 元器件的安裝方向是否最優(yōu)？
7.3.2 PCB板的排列、安裝時(shí)的熱設(shè)計(jì)
? PCB板的排列是否考慮了熱？（發(fā)熱量大的PCB不能緊挨排列）
? PCB板是否垂直安裝？排列的距離是否合適？
? PCB板的位置是否阻塞風(fēng)道？
? 是否積極利用了煙囪效應(yīng)？
7.3.3 模塊機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)
? 機(jī)箱的設(shè)計(jì)是否考慮了熱？選材利于散熱嗎？
? 機(jī)箱的上下面是否開有通風(fēng)口？
? 通風(fēng)口大小是否合適？
? 機(jī)箱內(nèi)的流路是否通暢？
? 散熱器的安裝位置是否符合煙囪效應(yīng)？
6.3.4 機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)
? 機(jī)柜的選材是否有利于散熱？
? 機(jī)柜是否開有通風(fēng)口？
? 通風(fēng)口的大小合適嗎？
? 是否考慮了模塊間的熱影響？
? 機(jī)柜的風(fēng)路結(jié)構(gòu)是否合理？(機(jī)柜帶風(fēng)道還是不帶風(fēng)道？)
? 是否充分利用了煙囪效應(yīng)？
中國熱設(shè)計(jì)網(wǎng):http://m.0532yewu.com