電子產品熱設計

熱設計網 2020-09-02

電子產品有效的功率輸出要比電路工作所需輸入的功率小得多。多余的功率大部分轉化為熱而耗散。當前電子產品大多追求縮小尺寸、增加元器件密度，這種情況導致了熱量的集中，因此需要采用合理的熱設計手段，進行有效的散熱，以便產品在規定的溫度極限內工作。熱設計技術就是指利用熱的傳遞條件，通過冷卻措施控制電子產品內部所有元器件的溫度，使其在產品所在的工作條件下，以不超過規定的最高溫度穩定工作的設計技術。

一、電子產品熱設計的目的

電子產品在工作時會產生不同程度的熱能，尤其是一些功耗較大的元器件，如變壓器、大功率晶體管、電力電子器件、大規模集成電路、功率損耗大的電阻等，實際上它們是一個熱源，會使產品的溫度升高。在溫度發生變化時，幾乎所有的材料都會出現膨脹或收縮現象，這種膨脹或收縮會引起零件間的配合、密封及內部的應力問題。溫度不均引起的局部應力集中是有害的，金屬結構在加熱或冷卻循環作用下會產生應力，從而導致金屬因疲勞而毀壞。另外，對于電子產品而言，元器件都有一定的工作溫度范圍，如果超過其溫度極限，會引起電子產品工作狀態的改變，縮短使用壽命，甚至損壞，導致電子產品不能穩定、可靠地工作。

電子產品熱設計的主要目的就是通過合理的散熱設計，降低產品的工作溫度，控制電子產品內部所有元器件的溫度，使其在所處的工作環境溫度下，以不超過規定的最高允許溫度正常工作，避免高溫導致故障，從而提高產品的可靠性。

二、電子產品散熱系統簡介

熱傳遞的三種基本方式是傳導、對流和輻射，對應的散熱方式為：傳導散熱、對流散熱和輻射散熱。

典型的散熱系統介紹如下：

（1）自然冷卻系統

自然冷卻系統是指電子產品所產生的熱量通過傳導、對流、輻射三種方式自然地散發到周圍的空氣中（環境溫度略微升高），再通過空調等其他設備降低環境溫度，達到散熱的目的。此類散熱系統的設計原則是：盡可能減少傳遞熱阻，增加產品中的對流風道和換熱面積，增大產品外表的輻射面積。自然冷卻是最簡單、最經濟的冷卻方法，但散熱量不大，一般用于熱流密度不大的產品中。

（2）強迫風冷散熱系統

強迫風冷散熱系統是指利用風機等設備將冷空氣吹到產品表面或內部，從而快速帶走熱量的散熱方式。強迫風冷按照風機的工作方式分為抽風冷卻和吹風冷卻。當設備熱源分布均勻時采用抽風冷卻，非均勻熱源采用吹風冷卻。根據產品發熱量的大小，對所選的風機及風機的安排方式都有特別的要求（如氣流的流量、壓力、噪聲等）。

按照空氣流經發熱元器件的方向，強迫風冷還可分為橫向通風冷卻、縱向通風冷卻和縱出通風冷卻。橫向通風冷卻就是冷空氣通過靜壓風道再流向需散熱的元器件或散熱器，發生換熱后，熱空氣從設備的另一側排出?？v向通風冷卻用于平行安裝的印制板組裝件等，空氣換熱后，熱空氣從產品的另一側排出。縱出通風冷卻多用于垂直安裝的印制板組裝件等，空氣從下部進入產品，熱空氣從上部排出。

在設計冷卻系統時，需合理布置各個發熱元器件，發熱少、耐溫差的元器件排在氣流的上游，然后按耐熱性由低到高排列，這種冷卻方式多用于發熱量不大的設備。

自然冷卻和強迫風冷都屬于直接冷卻方法，與間接冷卻方法相比，該類冷卻方法結構簡單、設計簡單、成本低，多用于熱流密度較高的產品。

（3）氣冷式冷板散熱系統

氣冷式冷板散熱系統的冷卻介質為空氣，該系統一般由蓋板、肋片、底板和封裝組成。肋片是冷板的主要零件，也是組成擴散表面的基本部分，肋片材料一般為鋁材或銅材，在機載產品中，由于質量要求較為嚴格，肋片一般由鋁材制成，有多種不同的結構參數，可根據冷卻的工作環境（溫度、氣壓、濕度和污染等情況）來選擇肋片形狀、肋間距、肋高和肋厚。

氣冷式冷板散熱是一種常用的間接冷卻散熱方式，結構簡單，易于實現。其缺點是散熱能力有限，結構尺寸較大，散熱效率較液冷式冷板低得多，常用在小型機載電子設備中。

（4）液冷式冷板散熱系統

液冷式冷板散熱系統的冷卻介質為液體，冷卻材料通常為導熱較好的鋁材或銅材，在機載電子產品中常用鋁材。冷板的大小及液道的形狀可根據空間的大小，散熱量及冷卻源的壓力來確定。根據冷板工作的環境溫度，選擇合適的冰點、沸點、比勢、導熱系數、汽化熱、動力黏度的冷卻劑（如乙醇等）。

液冷式冷板散熱是一種常用的散熱方式，其熱流密度大（可達45×103W／m2）、散熱效率高、熱負載均勻、溫度梯度小、結構緊湊。與同體積的其他換熱器相比，質量輕、換熱面積大，適用于大功率元器件的散熱，被廣泛用在機載電子產品中。

在設計冷板時，要考慮泵的壓力、冷卻液的流量、冷卻液的溫升、冷板表面溫度冷卻劑的二次冷卻等諸多因素，以合理地制定結構方案。

三、電子產品熱設計的基本問題及要求

對電子產品進行熱設計，需要事先明確幾個問題。

（1）電子產品（包括發熱元器件）的熱特性

熱設計的基本依據是元器件的熱特性（也叫熱的邊界條件），包括元器件（或產品）的發熱功率、發熱元器件（或產品）的散熱面積，發熱元器件或熱敏元器件（或產品）的最高允許工作溫度及溫度環境等。這些數據參數一般由元器件數據手冊（制造廠家提供）給出，設計師借此確定散熱方案及冷卻介質流量。當這種數據資料不足時，原則上不能準確地進行熱設計，需要設計者通過測量和試驗確定各個參數，以保證設計的準確性。

（2）元器件（或產品）的環境溫度

熱傳導的原則是：熱量總是從高溫物體傳給低溫物體，熱傳遞的速度與溫差、傳輸方式（或介質）有關。相同的傳輸方式下，溫差越大熱量傳遞越快?？梢?，電子產品（包括發熱元器件）的最終溫度除了與元器件的熱特性有關外，還與所處的環境溫度密切相關。因此，進行熱設計前必須準確了解電子產品（或元器件）所處工作環境的溫度。

實際工作中，通常根據元器件（或產品）的工作環境溫度及元器件（或產品）的最高允許溫度確定散熱系統中冷卻劑的進出口溫度（溫差值），并將此作為熱設計初步估算時的參考數據。

熱設計的原則是把產品的溫度限制在某一最大和最小的范圍內，盡量使電子產品內各點之間的溫差最小，具體要求包括：

① 保證系統具有良好的冷卻功能。

根據產品的熱損耗值、用途及溫升等要求來確定冷卻方法。在熱回路中元器件的發熱表面到連接物之間的熱阻（熱量傳遞過程的阻力）應盡量??；不同元器件間應采用不同的散熱措施，目的是保證電子產品內的所有元器件均能在規定的熱環境中正常工作。

② 保證冷卻系統工作的可靠性。

不管環境如何變化，冷卻系統必須能以重復的和預定的方式完成所規定的功能。在規定的使用期限內，冷卻系統的故障率應比元器件的故障率低。

③ 冷卻系統要具有良好的適應性。

設計冷卻系統時，應留有散熱余量。因為有的產品在工作一段時間后，由于某些因素的變化，如熱耗散或流體流動阻力的增加，會要求增強散熱能力，如果沒有余量則需進行重新設計，會帶來不必要的麻煩和成本增加。

④ 冷卻系統的設計要有良好的經濟性。

設計一個良好的冷卻系統，必須綜合考慮各方面的因素，使其既能滿足冷卻要求，又能達到電氣性能的指標，同時所用的冷卻代價最小、結構緊湊、工作可靠。

⑤ 冷卻系統要有良好的可維修性。

冷卻系統的設計應力求簡單，盡可能使用最少的和通用的元器件，以便于維修和更換。