0引言
現代電子設備對于性能指標?可靠性?功率密度等要求不斷提高?因此,電子設備的熱設計越來越重要?在電子設備設計過程中,功率器件尤為重要,其工作狀態會對整機可靠性造成影響?由于大功率器件發熱量不斷增加,通過封裝外殼散熱已經無法滿足散熱需求,需要對散熱和冷卻的方法進行合理選擇從而實現有效散熱,使電子元器件溫度控制在規定值以下,在熱源到外部環境之間實現導熱通道,從而保證熱量能夠順利導出?
1PCB板的設計
線路設計人員要對PCB進行優化設計,優先使用耐高溫性能良好的工業級以上器件,重點考慮元器件合理布局,利于散熱?一般在中心設置熱損耗小器件,在外圍布設熱損耗比較大的器件,優先使用雙列直插器件?
根據溫控指標確定印制板導線寬度和銅箔層厚度,從而使散熱與導熱能力得到提高,在印刷版與元器件中間設置銅導熱條,安裝的過程中使用導熱條實現全部發熱器件的跨接,利用導熱條傳遞元器件的能量?芯片充填導熱硅脂,從而使空氣間隙得到消除,降低接觸熱阻?然后,根據散熱方式占比?導熱寬度?元器件大小?密集度等實現印刷版最佳尺寸的確定?
由于電子設備依靠對流和輻射散熱比較困難,主要通過傳導才能夠實現散熱?為縮短傳導路徑,實現合理布局,設計過程中需將發熱器件安裝到機殼中?通過插座實現PCB的連接,以此使連接電纜得到降低,方便氣流流通,實現最小熱阻?最短散熱路徑的設置,避免箱內出現循環熱量?
提高機箱對外傳熱能力,對箱體導熱進行氧化熱處理,將有機涂料進行涂抹能夠進一步的提高輻射散熱?另外,實現機箱壁翅板散熱形狀加工,從而使機箱整體散熱面積得到提高?為了能夠更好地防潮濕?防霉菌,可將防水導熱材料填充到搭接面中?
使用時在機殼底板中設置電源模板,利用機殼底板實現上電,在上方安裝開孔金屬散熱器板,使機箱壁接觸面積得到提高?另外,為芯片1145?110設置銅質導熱板,在8245芯片中設置鋁材散熱板,提供低熱阻通路?導熱板表面使用厚度為1mm的導熱墊進行導熱,通過連接螺釘緊固力產生接觸壓力?
2導熱板的設計
使用大熱傳導系數的紫銅板,芯片管腳處發熱比較大,使用排列整齊的雙列直插器件,能夠使器件管腳穿過導熱板,器件底板和絕緣膜導熱板表面緊貼?
部分器件為TGA?PLCC封裝方式,四面管腳?比如主要散熱原件為CPU,要使用有效散熱措施?此時能夠在導熱板中開方孔讓出器件,在器件頂面壓一塊小導熱板,使熱量導向PCB導熱板?為了使小導熱板和器件?PCB導熱板良好接觸,使導熱效率得到提高,在接觸面中涂抹絕緣導熱脂或者墊絕緣導熱橡膠板,從而使器件端和PCB導熱板緊密接觸?為了使另外一端導熱板和機箱壁緊密接觸,PCB導熱板和機箱壁連接使用楔形壓緊結構?此結構方式能夠在散熱器集中?熱耗散功率比較大PCB板中使用?
設備中設置電源模塊,在箱壁沒有導軌槽?開孔等結構平面處,充分使用機箱壁,使電源模塊和箱壁緊貼安裝,從而增大導熱面積,降低中間導熱環節,降低熱阻,并且使散熱效率得到提高,充分使用空間,壓縮機箱體積?
3散熱器的設計
在設計散熱器過程中,要對電子設備結構風壓?成本?加工工藝?散熱效率等條件全面考慮?散熱器助片要求薄,但是會導致在加工過程中出現問題?肋間間距縮小,會增加散熱面積,但會造成風阻增加,對散熱造成影響?增加肋片高度能夠增加散熱面積,以此使散熱量增大?但是針對等截面直肋,增加肋片高度到一定程度之后,傳熱量就不會增加,如果肋高繼續增加,會降低肋片效率,使風阻增加?
充分考慮以上原則,本文利用鋁板散熱器,翅片長度設置為300mm?因為功放模塊是主要發熱模塊,其他可以忽略,主要考慮設置功放散熱器的肋高?通過Icepak軟件trials功能設置肋高?肋片間肌?厚度,之后設置變量值,Icepak對肋間距?厚度?肋高計算不同值時候的模型求解結果,功放模塊肋高設計為50mm,肋厚設計為6mm,其他模塊肋高設計為20mm的時候結構最優?最后,為了降低散熱器與功放模塊的接觸熱阻,需要保證接觸面加工精度,并在接觸面中涂抹導熱硅脂?
4風機的選擇
為將散熱器熱量帶走,設計選用風機?利用風機在設備外排風,將所有發熱量帶走,熱平衡方程表示為:
公式中的Q指的是設備發熱量,L指的是冷卻空氣熱量,Cp指的是空氣比熱,p指的是空氣密度,△t指的是冷卻空氣出口與入口的溫升?
設備空氣密度為1.13kg/m3,總發熱量為0.7kW,設置空氣比熱1.009kJ/(kg·℃),溫升設置10℃?在熱平衡方程中代入上述值的結果為0.0614m3/s?上述計算風量的公式指的是熱量帶走風量,因為設備具有較大的功放模塊與電源模塊,風量也比較大?3個并聯風機能夠對設備進行抽風冷卻,最大風量與最大靜壓分別為0.052m3/s和61.28N/m2?因為存在風阻,導致風機無法在最大風量中工作,風機工作點要比最大風量小?根據強迫風冷的設計經驗,提高風機工作效率能夠增強散熱效果?
5結語
在實現電子元器件和設備結構熱設計的過程中,要對電氣元器件和設備傳熱方式進行分析,對電氣元器件熱環境等因素進行考慮?基于此設計相關參數,最終使用合適方法實現熱設計?經過仿真驗證,此設備工作性能穩定,能夠滿足用戶對于設備高可靠性的要求?
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