開關(guān)電源熱分析與計(jì)算的意義

高效率，高集成度，高功率密度是電源發(fā)展的重要方向，然而對于電源設(shè)計(jì)人員而言，功率器件跟整個(gè)電源系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)，依然是非常有挑戰(zhàn)性的工作。

如：一臺(tái)輸出700W的全磚模塊電源，即使轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，然而依然有近37W的發(fā)熱量需要處理，如果不仔細(xì)分析計(jì)算，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的MTBF與可靠性，嚴(yán)重時(shí)甚至可能燒毀功率器件。

高溫對電源的影響

絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點(diǎn)焊縫開裂、焊點(diǎn)脫落； 器件之間的機(jī)械應(yīng)力增大；

對開關(guān)電源的熱分析與計(jì)算的積極意義

能精確計(jì)算元器件的溫升，為電源壽命計(jì)算提供依據(jù)通過對系統(tǒng)的整體溫升分析與計(jì)算，為器件的選型與降額設(shè)計(jì)提供依據(jù)通過對元器件熱分析與計(jì)算，為散熱方式與散熱器件的選擇提供依據(jù)能有效控制整體溫升，降低元器件的早期失效率，大大提升可靠性。

熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)

確保任何的元器件不超過它的最大工作節(jié)溫

也就是說如何的控制元器件的發(fā)熱量，如果元器件的發(fā)熱量得不到有效控制，那么元器件將在幾分鐘甚至更短的時(shí)間里失效。

一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會(huì)降低電容器的使用壽命；高溫會(huì)使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降；晶體三極管的電流放大倍數(shù)加大；MOSFET的漏源導(dǎo)通電阻增大。

方法：

a、優(yōu)選控制方式：軟開關(guān)技術(shù)(QR,LLC,有源鉗位),移相控制技術(shù),同步整流

b、選用低功耗的器件：CoolMOS,SiC diode,高磁導(dǎo)率的磁性材料等

c、根據(jù)應(yīng)用的場合，做好元器件的降額設(shè)計(jì)

結(jié)溫的推薦值：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，任何情況下器件的結(jié)溫不要超出以下值：

民用等級(jí)：Tjmax≤150℃ 工業(yè)等級(jí)：Tjmax≤135℃

軍用等級(jí)：Tjmax≤125℃ 航天等級(jí)：Tjmax≤105℃

在給定有限的空間和重量條件下，盡量可能保持元器件良好的散熱，使其在所處的工作環(huán)境條件下，不超過標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。

這個(gè)目標(biāo)就是提升系統(tǒng)的長期壽命跟可靠性。

有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%元器件溫升為50℃時(shí)的壽命只有溫升為25℃時(shí)的1/6。而溫升每超過10℃，電解電容的壽命就要下降一半。

方法：

a、優(yōu)化PCB上元器件的布局，Layout

b、根據(jù)系統(tǒng)要求，選用合適的散熱方式：傳導(dǎo)，輻射，對流

c、選用更好的散熱器件加強(qiáng)散熱：涂硅脂，導(dǎo)熱硅膠墊，散熱片氧化發(fā)黑

溫升的推薦值：

任何情況下，器件與整個(gè)電源內(nèi)部環(huán)境以及外殼的溫升不要超出60℃即 Δ T ≤ 60℃

熱路與溫度的計(jì)算

熱路實(shí)際上是歐姆定律的一個(gè)變形，可以與電路等效，在進(jìn)行熱路的分析與計(jì)算式，可以參照電路，建立熱路模型進(jìn)行計(jì)算。

幾個(gè)概念：

熱阻：

電子器件耗散的熱流在傳輸過程中(通過一定的介質(zhì))所遇到的阻力，是反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。

用Rθ 表示，單位是℃/W；其特性跟電阻類似，與介質(zhì)材料的熱導(dǎo)率，體積，密度，結(jié)構(gòu)，表面積大小，顏色，幾何尺寸與冷卻條件等因素有關(guān)在熱平衡之前，熱阻是時(shí)間的函數(shù)(熱抗)，但熱穩(wěn)定之后，熱阻跟時(shí)間無關(guān)

Rθ = Δ T/ PD

其中

Rθ 是介質(zhì)之間的熱阻

Δ T是介質(zhì)之間的溫度差

PD是耗散的功率

普通穿孔插件型封裝器件的典型熱阻

表面貼片型封裝器件的典型熱阻

熱流：

也稱為熱流密度或熱流量，指兩種介質(zhì)由于溫度的差異而形成的熱量傳遞。用Q表示，單位是J/s(W),其特性類似于電流，總是從溫度高的介質(zhì)傳遞到溫度低的介質(zhì)，其大小正比于熱阻即

Q ∝ (Δ T/Rθ )

注：固態(tài)散熱器的熱流是線性，而液態(tài)與氣態(tài)散熱的熱流是非線性的

熱容量：

是指一定質(zhì)量的某種物質(zhì)升高一定溫度所需的熱量,用C表示，單位為J/K，跟物質(zhì)本身的比熱容有關(guān)

比熱容?

CT=△E/（m △T）

△E為吸收的熱量；m是物體的質(zhì)量；△T是吸熱(放熱)后溫度所上升(下降)的值

熱容量

C = CT*m= △E/△T

功率管與等效熱電路模型

因?yàn)镽θ ca的值很大，對整個(gè)熱電路的分析影響很小,故可以忽略Rθ ja ≈ Rθ jc + Rθ cs + Rθ sa

貼片IC與等效熱電路模型

因?yàn)镽θ ca的值很大，對整個(gè)熱電路的分析影響很小,故可以忽略Rθ ja ≈ Rθ jc + Rθ cs + Rθ sa

徑向引線二極管與等效熱電路模型

因?yàn)镽θ La的值很大，對整個(gè)熱電路的分析影響很小,故可以忽略Rθ ja ≈ Rθ jL + Rθ Ls + Rθ sa

結(jié)溫的計(jì)算：

從以上幾個(gè)熱電路可以看出，結(jié)溫等于熱路中溫升之和再加上環(huán)境溫度。

即?Tjmax=PD*(Rθjc+Rθcs+Rθsa)+Ta

例：

某大功率工業(yè)電源的PFC電路，經(jīng)計(jì)算IGBT的損耗為15W,升壓二極管損耗為17W，兩管同時(shí)裝在一個(gè)散熱器上；IGBT芯片到外殼的熱阻為0.85℃/W，升壓二極管到外殼的熱阻為1.9℃/W，絕緣矽膠片與散熱膏的總熱阻為0.7℃/W，散熱器的熱阻為1.3℃/W；環(huán)境溫度為60℃，求IGBT與二極管芯片的結(jié)溫。

解：根據(jù)題意可以畫出等效熱電路（略）

對于IGBT,有 Tjmax1=(15+17)*1.3+(0.85+0.7)*15+60

=41.6+23.25+60

=124.85 ℃

對于Diode,有 Tjmax2=(15+17)*1.3+(1.9+0.7)*17+60

=41.6+44.2+60

=145.8 ℃

散熱片的計(jì)算：

a:散熱片的尺寸：可以求出散熱片的熱阻，再根據(jù)廠商提供的散熱片參數(shù)選擇合適的散熱片。

即 Rθsa=(Tjmax-Ta)/PD-(Rθjc+Rθcs)

例：

某軍工電源，現(xiàn)經(jīng)計(jì)算主功率MOSFET IRFP460的總損耗為7.6W, 裝在散熱器上自然冷卻；經(jīng)查手冊， Rθjc為0.45℃/W，Rθcs為0.24℃/W，絕緣矽膠片與散熱膏的總熱阻為0.7℃/W，當(dāng)環(huán)境溫度為60℃時(shí)，要求所有器件的結(jié)溫不能超過125℃，求散熱片的尺寸。

解：根據(jù)題意可以畫出等效熱電路（略）

對于MOSFET,有 Rθsa=(Tjmax -Ta )/PD-(Rθjc+Rθcs)

=(125-60)/7.6-(0.45+0.24+0.7)

=7.16 ℃ /W

然后參照散熱片廠家的數(shù)據(jù)，結(jié)合電源結(jié)構(gòu)要求尋找合適的散熱器

b、散熱器溫度與耗散功率的計(jì)算：根據(jù)熱電路可以得出散熱器溫度的計(jì)算公式

Ths=PD*Rθ sa+Ta

同樣可以得出耗散功率的計(jì)算公式

PD=(Ths+Ta)/Rθ sa

焊盤大小對散熱的影響：

如下圖是PCB上銅箔厚度為2OZ(約70um56.7g)焊盤面積與熱阻的對應(yīng)關(guān)系，由圖可以看出，當(dāng)散熱焊盤面積大于0.2in2時(shí)，熱阻對應(yīng)約0.5℃/W,即使再繼續(xù)加大焊盤面積，但熱阻基本不變，也就是說對散熱不再有幫助，所以說散熱焊盤的面積也不越大越好。

散熱方式分析與選擇

開關(guān)電源中的發(fā)熱量較大的元件

功率開關(guān)管：

開通損耗，導(dǎo)通損耗，關(guān)斷損耗

整流二極管：

正向?qū)〒p耗，反向恢復(fù)損耗

變壓器、電感：

鐵損，銅損

電容，功率電阻等無源元件：

歐姆熱損耗

散熱的常用方式與器件

常用的方式：

熱傳導(dǎo)，熱輻射，熱對流，蒸發(fā)散熱

散熱器件：

PCB銅箔，散熱器（銅，鋁，鐵），風(fēng)扇冷卻，水冷，油冷，半導(dǎo)體制冷，熱管

傳導(dǎo)散熱：

具有溫度差異的兩個(gè)直接接觸的物體或物體內(nèi)部個(gè)部分之間發(fā)生的熱傳遞。本質(zhì)是分子動(dòng)能的相互傳遞。

其中：?

P：傳遞的熱流（功率）(W)

A：與熱傳輸方向垂直的單元端面積(cm2)

L：熱傳輸單元的長度(cm)

(T1-T2)：熱傳輸單元兩邊的溫度差(℃)

K：材料的導(dǎo)熱率，量綱為W/(cm2?℃)

輻射散熱：

借助于電磁波(紅外線)的形式將熱量傳遞出去，不需要任何的介質(zhì)，傳播方向?yàn)橹本€，可以在真空中傳播。例如太陽的熱量通過熱輻射到達(dá)地球。

根據(jù)史蒂芬 ? 玻爾茲曼定律

P：傳遞的熱流（功率）(W)

A：輻射表面的面積(cm2)

e：表面發(fā)射率，與輻射物體的表面

粗燥度以及顏色有關(guān)。

Ts:輻射表面溫度(℃)

Ta：環(huán)境溫度(℃)

輻射換熱的考慮原則

如果物體表面的溫度低于50℃，可忽略顏色對輻射換熱的影響。因?yàn)榇藭r(shí)輻射波長相當(dāng)長，處于不可見的紅外區(qū)。而在紅外區(qū)，一個(gè)良好的發(fā)射體也是一個(gè)良好的吸收體，發(fā)射率和吸收率與物體表面的顏色無關(guān)。

對于強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射換熱的貢獻(xiàn)。

如果物體表面的溫度低于50℃，可不考慮輻射換熱的影響。

好的熱輻射器，同樣是好的熱吸收器，所以應(yīng)該避免太陽光的直射。

輻射換熱面積計(jì)算時(shí)，如表面積不規(guī)則，應(yīng)采用投影面積。即沿表面各部分繃緊繩子求得的就是這一投影面積，如圖所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。

對流換熱：

對流換熱是指流體與其相接觸的流體或固體表面，而且具有不同溫度時(shí)，所發(fā)生的熱量轉(zhuǎn)移過程。

對流換熱的計(jì)算一般采用牛頓所提出的公式 ：

Φ =αA(T1－ T2) ? ? ? (W)

其中

A為與流體接觸的壁面面積(m^2)

α 為對流換熱系數(shù)

T1為壁面溫度(K)

T2為流體平均溫度(K)

從上面的公式可以看出，在熱對流傳遞中，熱量傳遞的數(shù)量跟熱對流系數(shù)、有效接觸面積以及溫度差成正比，熱對流系數(shù)越大，有效接觸面積越大，溫差越高，所能帶走的熱量就越多。

根據(jù)流體產(chǎn)生流動(dòng)的原因不同，分為自然對流與強(qiáng)迫對流。

自然對流：

熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳給與它緊靠在一起的流體層，這層流體受熱后，體積膨脹，密度變小，向上流動(dòng)，周圍的密度大的流體流過來填充，填充過來的流體吸熱膨脹向上，如此循環(huán)，不斷從發(fā)熱元器件表面帶走熱量

風(fēng)道設(shè)計(jì)技巧：

a：如果采用直齒結(jié)構(gòu)散熱片，則散熱片必須垂直放置。

b：小型機(jī)殼電源一般是紊流散熱，可以在散熱底座下開小孔，以便在一定區(qū)域內(nèi)增強(qiáng)散熱效果。

c：大型機(jī)柜電源，不能有漏風(fēng)口，要給風(fēng)道留有一定的空間。

d：在散熱器前端加入擾流片,引入紊流可顯著的提高散熱效果

強(qiáng)迫對流：

熱源將熱量以熱傳導(dǎo)方式傳至導(dǎo)熱介質(zhì)，再由介質(zhì)傳至散熱片基部，由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對流，將熱量散發(fā)到空氣中。

風(fēng)道的設(shè)計(jì)原則

風(fēng)道盡可能短，縮短風(fēng)道長度可以降低風(fēng)道的阻力；

盡可能采用直線形風(fēng)道設(shè)計(jì)，局部阻力小；

風(fēng)道的截面尺寸最好和風(fēng)扇的出口一致，以避免因變換截面而增加阻力損失，截面形狀可為園形，也可以是正方形或長方形；

進(jìn)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量使其對氣流的阻力最小，還要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。

如果發(fā)熱分布均勻， 元器件的間距應(yīng)均勻，以使風(fēng)均勻流過每一個(gè)發(fā)熱源.

如果發(fā)熱分布不均勻，在發(fā)熱量大的區(qū)域元器件應(yīng)稀疏排列，而發(fā)熱量小的區(qū)域元器件布局應(yīng)稍密些，或加導(dǎo)流條，以使風(fēng)能有效的流到關(guān)鍵發(fā)熱器件。

海拔高度對自然對流熱設(shè)計(jì)的影響及解決對策

隨著海拔高度的增加，空氣的密度逐漸減小，空氣上升的能力也就減少，自然對流換熱的能力減弱。自然對流換熱能力的變化最終體現(xiàn)在對流換熱系數(shù)的變化上，根據(jù)美國斯坦伯格的經(jīng)驗(yàn)公式，如果忽略空氣溫度的變化，可按下式計(jì)算海拔高度對自然對流的影響強(qiáng)弱。

hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.5=hc(海平面) (p高空/p海平面)^0.5

hc(高空),hc(海平面)－分別為高空及海平面的自然對流換熱系數(shù)，W/m.k

ρ高空，ρ海平面－分別為高空及海平面的空氣密度，Kg/m3

p高空，p海平面－分別為高空及海平面的空氣壓力，帕斯卡

解決措施：

預(yù)先計(jì)算出海拔高度對自然對流換熱系數(shù)的影響大小，通過增加相應(yīng)的對流換熱面積來彌補(bǔ)高空換熱能力的減弱，按下式計(jì)算：

F對流(高空)＝ F對流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)^0.5

海拔高度對強(qiáng)迫對流熱設(shè)計(jì)的影響及解決對策

由于隨著海拔高度的增加，空氣密度減小，質(zhì)量流速減小，空氣分子間碰撞的概率降低，對流換熱能力減弱。同樣，強(qiáng)迫對流換熱隨海拔高度的變化最終體現(xiàn)在對流換熱系數(shù)的變化上，美國軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，低于5000米以下的高空，如果忽略空氣溫度的變化，可按下式計(jì)算海拔高度對強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱影響的強(qiáng)弱。

層流：

hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)^0.5

湍流：

hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ ρ海平面)^0.8

hc(高空)，hc(海平面)－分別為高空及海平面的強(qiáng)迫風(fēng)冷對流換熱系數(shù)，W/m.k

p高空，p海平面－分別為高空及海平面的空氣壓力，帕斯卡

解決措施：

增大面積法

預(yù)先計(jì)算出海拔高度對自然對流換熱系數(shù)的影響大小，通過增加相應(yīng)的對流換熱面積來彌補(bǔ)高空換熱能力的減弱，按下式計(jì)算：

F對流(高空)＝ F對流(海平面)/(ρ 高空/ρ 海平面)^0.5

提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速

RPM2/RPM1＝ ρ 海平面/ρ 高空

散熱器的表面積計(jì)算與選擇

自然對流散熱器的表面積，由下式來確定:

S=0.86W/(△T*α ) ? ? ?(m^2)

△T: 散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度(△T)的差（℃）

α ：熱傳導(dǎo)系數(shù)，是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速?zèng)Q定,由下式?jīng)Q定。

α =nu*λ / L

λ :熱電導(dǎo)率（kcal/m2h）空氣物理性質(zhì)

L:散熱器高度（m）

nu:空氣流速系數(shù)。由下式?jīng)Q定:

V1——?jiǎng)羽ば韵禂?shù)，是空氣的物理性質(zhì)；

V2——散熱器表面的空氣流速(m/sec)；

pr系數(shù)見下表:

直齒間距對散熱片自然對流散熱的影響?

描述流體與固體間對流傳熱的基本方程式為：

Q=hAΔT?

可以看出，通過提高傳熱系數(shù)h，增大傳熱面積來強(qiáng)化流體與散熱片表面間的對流傳熱效果。當(dāng)基面寬度W給定時(shí)，假定傳熱溫差ΔT，傳熱系數(shù)h不變，這樣散熱量Q的提高就取決于換熱面積A的大小。增加散熱片數(shù)量就可以增加換熱面積，有利于散熱。但散熱片數(shù)目的增多，減小了散熱片間的距離S，傳熱系數(shù)h也隨之降低。

高度、長度對散熱片自然對流散熱的影響：

提高散熱片的高度H或增加長度可以增加換熱面積A，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。但增加高度會(huì)使散熱片頂部的局部傳熱系數(shù)降低，增加長度會(huì)使散熱邊緣傳熱系數(shù)降低，導(dǎo)致平均傳熱系數(shù)的降低。

此外，高度也影響著從散熱片基面到端部的溫度降。高度越大，溫度降也越大，同理長度會(huì)影響到散熱片中部到邊緣的溫度降，導(dǎo)致散熱片表面與周圍大氣的平均溫度差就隨之降低，不利于散熱。

實(shí)際上，散熱片的高度還將受到整機(jī)外型尺寸的限制。

厚度對散熱片自然對流散熱的影響：

散熱片越薄，則單位長度上可裝載的散熱片的數(shù)量就越多，從而增大散熱面積，強(qiáng)化散熱片的散熱；隨著散熱片厚度的增大，散熱片表面與周圍大氣的平均換熱溫度差ΔT就隨之降低，這對于散熱是不利的。

在實(shí)際的應(yīng)用中，厚度δ的大小往往受工藝水平高低所限。一般鑄造散熱片的厚度δ不小于2 mm，機(jī)加工散熱片的厚度δ不小于1 mm。

體積對散熱片自然對流散熱的影響：

散熱體積增大，在合理的直齒間距條件下，可以增大散熱的面積，強(qiáng)化散熱片的散熱效果；隨著散熱片體積的增大，相應(yīng)的高度、長度、厚度，這對于散熱是有利的。

但體積會(huì)受到外型結(jié)構(gòu)尺寸的限制，而且增大體積需要增加成本。

散熱器冷卻方式的判據(jù)

對通風(fēng)條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。

對通風(fēng)條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。

根據(jù)散熱器冷卻方式選擇散熱器：

按照散熱器的工作條件(自然冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷)，根據(jù)Rsa 或ΔTsa 和Pc 選擇散熱器，查所選散熱器的散熱曲線(Rsa 曲線或ΔTsa 線)，曲線上查出的值小于計(jì)算值時(shí)，就找到了合適的熱阻散熱器及其對應(yīng)的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)速流經(jīng)散熱器截面核算流量，及根據(jù)散熱器流阻曲線上風(fēng)速對應(yīng)的阻力壓降，選擇滿足流量和壓力工作點(diǎn)的風(fēng)扇。

散熱器選擇注意事項(xiàng)：

①一般來說，能滿足散熱要求的散熱器不止一種，應(yīng)該根據(jù)器件與散熱器的安裝尺寸和為散熱器余留的空間尺寸決定散熱器的類型：單肋，雙肋或異型。對于自冷散熱器，如果條件許可的話，采用雙肋散熱器，散熱效率比較高。

②盡可能單個(gè)器件或模塊配單獨(dú)的散熱器，這樣散熱效率高，總用鋁量少，而且可以降低成本。

③盡可能采用長度和寬度相近的散熱器，這樣熱效率高，避免采用“狹長”的散熱器，即肋片的長向比寬向大很多；這樣的散熱器散熱效率低下。

④當(dāng)采用肋片密度很大的密齒類散熱器時(shí)，必須強(qiáng)制風(fēng)冷，而且肋片的方向要與風(fēng)道一致，否則散熱效果極差，散熱效率極低。這類散熱器在有效風(fēng)冷條件下，有很高的散熱效率。

⑤整機(jī)設(shè)計(jì)中器件散熱器的選擇，應(yīng)根據(jù)器件在整機(jī)中工作的實(shí)際冷卻條件(冷卻介質(zhì)溫度和流量)和穩(wěn)、瞬態(tài)負(fù)載情況，并適當(dāng)考慮安全系數(shù)應(yīng)有的余量，按穩(wěn)態(tài)不超過最高工作結(jié)溫并留有一定裕量來選取。

散熱器的緊固與安裝：

① 螺絲緊固散熱片：這種方法由于安裝或拆卸快速、簡便，所以被廣泛使用。在該安裝方法中，確定合適的緊固螺絲扭矩是非常重要。如扭矩小了，熱接觸電阻就會(huì)因接觸壓力不足造成熱接觸不良而增加。當(dāng)扭矩大了，則會(huì)產(chǎn)生變形，造成熱接觸不良和增大熱阻。

② 散熱器要跟功率器件保持好良好的絕緣，一般使用云母片，矽膠片，絕緣橡膠等，在要求較高的場合可以使用軟性導(dǎo)熱硅膠墊。

③ 散熱器表面不會(huì)是理想的平滑面，所以跟功率器件的接觸面會(huì)存在一些空隙，空隙中填充的是空氣，而空氣的熱阻較大，所以需要在接觸面涂覆一層導(dǎo)熱硅脂，以減少外殼到散熱片的熱阻。硅脂層越薄越好。

④ 功率器件盡量安裝在散熱器的中部，這樣可以讓散熱片均勻散熱。

風(fēng)扇的計(jì)算與選擇

計(jì)算流經(jīng)散熱器阻力壓降：

式中

ΔP--沿程壓力損失，Pa；

V--空氣平均流速，m/s； f--沿程阻力系數(shù)；

ρ--空氣密度，kg/m3； L--沿程長度，m；

D--當(dāng)量直徑，m。

（D=4散熱器截面面積/截面周長）

計(jì)算流經(jīng)散熱器流量

Q = A*V

式中Q---流量

A--風(fēng)量流經(jīng)散熱器截面積

V---風(fēng)量流經(jīng)散熱器風(fēng)速

風(fēng)量和溫度的關(guān)系：

T＝Ta＋1.76P／Q

式中Ta－－環(huán)境溫度，℃?

P－－整機(jī)功率損耗，W?

Q－－風(fēng)扇的風(fēng)量，CFM?

T－－機(jī)箱內(nèi)的溫度，℃

風(fēng)扇選擇：?

選擇風(fēng)扇時(shí)，也要注意把握以下幾個(gè)原則：

①在功率允許的情況下，盡可能選擇風(fēng)量較大的風(fēng)扇，與風(fēng)量有關(guān)的因素包括風(fēng)扇的大小，轉(zhuǎn)速等。 如右圖，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速跟熱阻成反比。

②風(fēng)扇的送風(fēng)形式對散熱效果也有較大的影響，鼓風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的是紊流，風(fēng)壓大但容易受到阻力損失；抽風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的是層流，風(fēng)壓小但氣流穩(wěn)定。

理論上說，紊流的換熱效率比層流大得多，但是氣流的運(yùn)動(dòng)與散熱片也有直接關(guān)系。在某些散熱片設(shè)計(jì)中（比如過于緊密的鰭片），氣流受散熱片阻礙非常大，此時(shí)采用抽風(fēng)可能會(huì)有更好的效果。因而在選用時(shí)要注意。

③風(fēng)扇的噪音，壽命，外型結(jié)構(gòu)是非常重要的指標(biāo)，關(guān)系到整機(jī)設(shè)計(jì)的壽命與可靠性，故選擇風(fēng)扇時(shí)要根據(jù)實(shí)際的使用場合加以綜合考慮。

④風(fēng)扇的分類與特點(diǎn):

含油軸承、單滾珠軸承、雙滾珠軸承、來福軸承、Hypro軸承、液壓軸承、納米陶瓷軸承 、磁懸浮軸承其特性如下表所示：

⑤風(fēng)扇的安裝也要注意

a：進(jìn)出風(fēng)口的位置

b：風(fēng)道的設(shè)計(jì)

c：風(fēng)扇要跟散熱器保持一定距離，理論為一個(gè)風(fēng)扇Hub的直徑。

d：一定要將風(fēng)扇固定好，且要加裝隔離柵，防止外部較大顆粒的異物進(jìn)入并將風(fēng)扇堵轉(zhuǎn)。

散熱設(shè)計(jì)的一般原則與步驟

熱設(shè)計(jì)的一般原則

① 從有利于散熱的角度出發(fā),印制版最好是直立安裝,板與板之間的距離一般不應(yīng)小于20mm。

② 同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的最上流(入口處),發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等)放在冷卻氣流最下游。

③ 在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時(shí)對其它器件溫度的影響。

④ 對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域(如設(shè)備的底部),千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方,多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局。

⑤ 設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑,合理配置器件或印制電路板.空氣流動(dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng),所以在印制電路板上配置器件時(shí),要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域.整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題。

熱設(shè)計(jì)的實(shí)際步驟：

①分析電源電路的布局結(jié)構(gòu)，確定主要發(fā)熱單元；根據(jù)電路理論中的相關(guān)公式，求得各發(fā)熱單元的理論損耗值。

②分析電源電路對應(yīng)的熱路，確定傳熱途徑，繪出等效的熱模型。根據(jù)熱設(shè)計(jì)理論，計(jì)算各個(gè)元器件的熱阻值；根據(jù)熱路圖建立熱平衡方程式，分析溫度場分布特性，解出各節(jié)點(diǎn)的溫度值；根據(jù)熱路模型與電氣模型的對應(yīng)關(guān)系，確立電氣模型。

③建立該電路的3D熱模型。利用專業(yè)熱仿真軟件(如Flotherm、ANSYS等)，根據(jù)流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)原理，采用有限元體積法，對建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出最佳方案。

④分別對元件、線路、印制電路板和機(jī)箱進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。

⑤模型或樣機(jī)試驗(yàn)分析。通過對模型或樣機(jī)測試測量，檢驗(yàn)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的偏差程度。

⑥除了熱設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮可靠性、安全性、維修性及電磁兼容性的協(xié)同設(shè)計(jì)，滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與要求。

熱設(shè)計(jì)仿真介紹

仿真的意義

①可以加快設(shè)計(jì)開發(fā)的周期

②可以降低設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的費(fèi)用

③可以減少產(chǎn)品調(diào)試的次數(shù)，為調(diào)試優(yōu)化指明方向，減低失敗的風(fēng)險(xiǎn)性

④可以大大的提高產(chǎn)品性能的可靠性

熱設(shè)計(jì)仿真的作用

①對元器件的溫升做出優(yōu)化計(jì)算，從而對器件的選型與降額設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持

②對整個(gè)電源系統(tǒng)的各個(gè)發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算，對發(fā)熱器件的布局，散熱器件的選型，風(fēng)道設(shè)計(jì)提供依據(jù)

③對采用的各種散熱方式進(jìn)行模擬的計(jì)算優(yōu)化，最大限度的提高散熱效率

④但軟件只是工具，要得到精確的值需要精準(zhǔn)的模型，還要豐富的經(jīng)驗(yàn)與理論水平

熱設(shè)計(jì)仿真軟件介紹

Flotherm、I-deas、Ice-pack占據(jù)大部分的市場份額，還有Tas－Harvard thermal、Cool it、Betasoft等軟件。

總結(jié)

熱設(shè)計(jì)的等效熱電路計(jì)算，其本質(zhì)就是功耗，溫升，熱阻三者的關(guān)系計(jì)算，可以用電路中的歐姆定理去理解。

幾種散熱方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)熱點(diǎn)路的計(jì)算結(jié)果選擇主要的散熱方式，選用合適的散熱器件。

在實(shí)際的熱設(shè)計(jì)中。熱傳輸是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，要進(jìn)行非常精確的計(jì)算將是十分困難的，在實(shí)際工程應(yīng)用中，誤差能控制在5-10℃已經(jīng)非常不容易了。

要想得到較精確的值，必須依靠科學(xué)的仿真技術(shù)跟實(shí)際測試相結(jié)合，建立精準(zhǔn)的熱電路模型，再進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

審核編輯：湯梓紅