工程師做熱設(shè)計(jì)不得不注意的若干事項(xiàng)

　　在調(diào)試或維修電路的時(shí)候，我們常提到一個(gè)詞“××燒了”，這個(gè)××有時(shí)是電阻、有時(shí)是保險(xiǎn)絲、有時(shí)是芯片，可能很少有人會(huì)追究這個(gè)詞的用法，為什么不是用“壞”而是用“燒”？其原因就是在機(jī)電產(chǎn)品中，熱失效是最常見(jiàn)的一種失效模式，電流過(guò)載，局部空間內(nèi)短時(shí)間內(nèi)通過(guò)較大的電流，會(huì)轉(zhuǎn)化成熱，熱聚。集不易散掉，導(dǎo)致局部溫度快速升高，過(guò)高的溫度會(huì)燒毀導(dǎo)電銅皮、導(dǎo)線和器件本身。所以電失效的很大一部分是熱失效。

　　那么問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，如果假設(shè)電流過(guò)載嚴(yán)重，但該部位散熱極好，能把溫升控制在很低的范圍內(nèi)，是不是器件就不會(huì)失效了呢？答案為“是”。

　　由此可見(jiàn)，如果想把產(chǎn)品的可靠性做高，一方面使設(shè)備和零部件的耐高溫特性提高，能承受較大的熱應(yīng)力（因?yàn)榄h(huán)境溫度或過(guò)載等引起均可）；另一方面是加強(qiáng)散熱，使環(huán)境溫度和過(guò)載引起的熱量全部散掉，產(chǎn)品可靠性一樣可以提高。下面介紹下熱設(shè)計(jì)的常規(guī)方法。

　　我們機(jī)電設(shè)備常見(jiàn)的是散熱方式是散熱片和風(fēng)扇兩種散熱方式，有時(shí)散熱的程度不夠，有時(shí)又過(guò)度散熱了，那么何時(shí)應(yīng)該散熱，哪種方式散熱最合適呢？這可以依據(jù)熱流密度來(lái)評(píng)估，熱流密度=熱量 / 熱通道面積。

　　按照《GJB/Z27-92電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》的規(guī)定（如圖1），根據(jù)可接受的溫升的要求和計(jì)算出的熱流密度，得出可接受的散熱方法。如溫升40℃（縱軸），熱流密度0.04W/cm2（橫軸），按下圖找到交叉點(diǎn)，落在自然冷卻區(qū)內(nèi)，得出自然對(duì)流和輻射即可滿足設(shè)計(jì)要求。

　　大部分熱設(shè)計(jì)適用于上面這個(gè)圖表，因?yàn)榛旧仙岫际峭ㄟ^(guò)面散熱。但對(duì)于密封設(shè)備，則應(yīng)該用體積功率密度來(lái)估算，熱功率密度=熱量 / 體積。下圖（圖2）是溫升要求不超過(guò)40℃時(shí)，不同體積功率密度所對(duì)應(yīng)的散熱方式。比如某電源調(diào)整芯片，熱耗為0.01W，體積為0.125cm3，體積功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3，查下圖得出金屬傳導(dǎo)冷卻可滿足要求。

　　按照上圖，可以得出冷卻方法的選擇順序：自然冷卻一導(dǎo)熱一強(qiáng)迫風(fēng)冷一液冷一蒸發(fā)冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導(dǎo)、輻射、自然對(duì)流等方法冷卻；0.122-0.43W/cm3強(qiáng)迫風(fēng)冷；0.43～O.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸發(fā)冷卻。注意這是溫升要求40℃時(shí)的推薦參考值，如果溫升要求低于40℃，就需要對(duì)散熱方式降額使用，0.122時(shí)就需要選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷，如果要求溫升很低，甚至要選擇液冷或蒸發(fā)冷卻了。

　　這里面還應(yīng)注意一個(gè)問(wèn)題，是不是強(qiáng)迫風(fēng)冷能滿足散熱要求，我們就可以隨便選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)速呢，就好像說(shuō)某件工作，?？茖W(xué)歷的知識(shí)水平即可勝任，是不是隨便抓個(gè)大專生就能做好呢，當(dāng)然不是，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與氣流流速有直接關(guān)系，這里又涉及一個(gè)新概念——熱阻。

　　熱阻=溫度差 / 熱耗 （單位℃/W）

　　熱阻越小則導(dǎo)熱性能越好，這個(gè)概念等同于電阻，兩端的溫度差類似于電壓，傳導(dǎo)的熱量類似于電流。風(fēng)道的熱阻涉及流體力學(xué)的一些計(jì)算，如果我們?cè)跓嵩O(shè)計(jì)方面要求不是很苛刻，可通過(guò)估算或?qū)嶒?yàn)得出，如果要求很苛刻，可以查閱《GJB/Z27-92 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》，里面有很多系數(shù)、假設(shè)條件的組合，三言兩語(yǔ)說(shuō)不清楚，個(gè)別系數(shù)我也沒(méi)搞明白如何與現(xiàn)實(shí)的風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)合，比如，風(fēng)道中有一束電纜、風(fēng)道的壁不是均勻的金屬板，而是有高低不平帶器件的電路板，對(duì)一些系數(shù)則只能估算了，最準(zhǔn)確的方式反而是實(shí)驗(yàn)測(cè)量了。

　　熱阻更多的是用于散熱器的選擇，一般廠家都能提供這個(gè)參數(shù)。舉例，芯片功耗20W，芯片表面不能超過(guò)85℃，最高環(huán)境溫度55℃，計(jì)算所需散熱器的熱阻R。

　　計(jì)算：實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻近似為0.1℃/W，則（R+0.1）=（85-55） ℃/20W，則R=1.4℃/W。依據(jù)這個(gè)數(shù)值選散熱器就可以了。

　　這里面注意一個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谟?jì)算中默認(rèn)為熱耗≈芯片功率，對(duì)一般的芯片，我們都可以這樣估算，因?yàn)樾酒袥](méi)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，沒(méi)有其他的能量轉(zhuǎn)換機(jī)會(huì)，大部分是通過(guò)熱量轉(zhuǎn)化掉了。而對(duì)于電源轉(zhuǎn)換類芯片或模塊，則不可以這樣算，比如電源，它是一個(gè)能源輸出，它的輸入電量一部分轉(zhuǎn)化成了熱，另外很大部分轉(zhuǎn)化成電能輸出了，這時(shí)候就不能認(rèn)為熱耗≈功率。

　　以上部分是定量設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容，在有了一個(gè)定量的設(shè)計(jì)指導(dǎo)后，也有一些具體的工程技巧來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算結(jié)果的要求。 一般的熱設(shè)計(jì)思路有三個(gè)措施：降耗、導(dǎo)熱、布局。

　　降耗是不讓熱量產(chǎn)生；導(dǎo)熱是把熱量導(dǎo)走不產(chǎn)生影響；布局是熱也沒(méi)散掉但通過(guò)措施隔離熱敏感器件；有點(diǎn)類似于電磁兼容方面針對(duì)發(fā)射源、傳播路徑、敏感設(shè)備的三個(gè)措施。

　　降耗是最原始最根本的解決方式，降額和低功耗的設(shè)計(jì)方案是兩個(gè)主要途徑，低功耗的方案需要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不予贅述。器件選型時(shí)盡量選用發(fā)熱小的元器件，如片狀電阻、線繞電阻（少用碳膜電阻）；獨(dú)石電容、鉭電容（少用紙介電容）；MOS、CMOS電路（少用鍺管）；指示燈采用發(fā)光二極管或液晶屏 （少用白熾燈），表面安裝器件等。除了選擇低功耗器件外，對(duì)一些溫度敏感的特型元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償與控制也是解決問(wèn)題的辦法之一，尤其是放大電路的電容電阻等定量測(cè)量關(guān)鍵器件。

　　降額是最需要考慮的降耗方式，假設(shè)一根細(xì)導(dǎo)線，標(biāo)稱能通過(guò)10A的電流，電流在其上產(chǎn)生的熱量就較多，把導(dǎo)線加粗，增大余量，標(biāo)稱通過(guò)20A的電流，則同樣都是通過(guò)10A電流時(shí)，因?yàn)閮?nèi)阻產(chǎn)生的熱損耗就會(huì)減小，熱量就小。而且因?yàn)榻殿~，在環(huán)境溫度升高時(shí)，器件性能下降情況下，但因?yàn)橛杏嗔?，即使性能下降，也能滿足要求，這是降額對(duì)于增強(qiáng)可靠性的另一個(gè)作用，將是另一篇博客文章的內(nèi)容。

　　導(dǎo)熱的設(shè)計(jì)規(guī)范比較多，挑一些比較常見(jiàn)的羅列：

　　1.進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的通風(fēng)路徑須經(jīng)過(guò)整個(gè)散熱通道，一般進(jìn)風(fēng)口在機(jī)箱下側(cè)方角上，出風(fēng)口在機(jī)箱上方與其最遠(yuǎn)離的對(duì)稱角上；

　　2.避免將通風(fēng)孔及排風(fēng)孔開(kāi)在機(jī)箱頂部朝上或面板上；

　　3.為防止氣流回流，進(jìn)口風(fēng)道的橫截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積之和；

　　4.對(duì)靠近熱源的熱敏元件，采用物理隔離法或絕熱法進(jìn)行熱屏蔽。熱屏蔽材料有：石棉板、硅橡膠、泡沫塑料、環(huán)氧玻璃纖維板，也可用金屬板和澆滲金屬膜的陶瓷；

　　5.將散熱》1w的零件安裝在機(jī)座上，利用底板做為該器件的散熱器，前提是機(jī)座為金屬導(dǎo)熱材料；

　　6.熱管安裝在熱源上方且管與水平面夾角須》30度；

　　7.PCB用多層板結(jié)構(gòu)（對(duì)EMC也有非常非常大的好處），使電源線或地線在電路板的最上層或最下層…

　　8.熱源器件專門設(shè)計(jì)在一個(gè)印制板上，并密封、隔離、接地和進(jìn)行散熱處理；

　　9.散熱裝置（熱槽、散熱片、風(fēng)扇）用措施減少熱阻：

　　（1）擴(kuò)大輻射面積，提高發(fā)熱體黑度；

　　（2）提高接觸表面的加工精度，加大接觸壓力或墊入軟的可展性導(dǎo)熱材料；

　?。?）散熱器葉片要垂直印制板；

　?。?）大熱源器件散熱裝置直接裝在機(jī)殼上；

10.密封電子設(shè)備內(nèi)外均涂黑漆可輔助散熱；為避免輻射熱影響熱敏器件、熱源屏蔽罩內(nèi)面的輻射能力要強(qiáng)(涂黑)，外面光滑(不影響熱敏器件)，通過(guò)熱傳導(dǎo)散熱。

11.密封電子設(shè)備機(jī)殼內(nèi)外有肋片，以增大對(duì)流和輻射面積。

12.不重復(fù)使用冷卻空氣；

13.為了提高主要發(fā)熱元件的換熱效率、可將元件裝入與其外形相似的風(fēng)道內(nèi)。

14.抽鼓風(fēng)冷卻方式的選擇…

15.風(fēng)機(jī)的選擇…

16.被散熱器件與散熱器之間充填導(dǎo)熱膏(脂)，以減小接觸熱阻；

17.被散熱器件與散熱器之間要有良好的接觸，接觸表面光滑、平整，接觸面粗糙度Ra≤6.3μm；

18.輻射是真空中傳熱的唯一方法，1確保熱源具有高的輻射系數(shù)，如果處于嵌埋狀態(tài)，利用金屬傳