熱設計知識介紹
生活中，我們的手機有死機的時候，汽車有電子產品故障的時候，是什麼原因造成的呢？
一個重要的原因是溫度影響著產品的壽命與系統的可靠性。溫升過高，導致周圍環境溫度持續升高而不能有效控制，將會導致所有電子元器件故障率增高，整機壽命減少，系統可靠性無法得到保障。
有關熱設計問題，本文做一簡單的介紹，希望對我們工作有所幫助。
一、為什麼要進行熱設計
高溫對電子產品的影響：絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點焊縫開裂、焊點脫落。
二、熱設計的基本問題
電子設備的有效輸出功率比所需的輸入功率小得多，而這部分多餘的功率則轉化為熱而耗散掉。
隨著電子技術的發展，電子元器件和設備日趨小型化，使得設備的體積功率密度大大增加。
提供一條低熱阻通路，保證熱量順利傳遞出去。
三、熱設計的目標
熱設計應滿足設備可靠性的要求；熱設計應滿足設備預期工作的熱環境的要求；熱設計應滿足對冷卻系統的限制要求；降低成本。
四、熱設計應考慮的問題
太陽輻射，灰塵、纖維微粒，壽命週期費用，熱瞬變，維修性，水氣的冷凝，冷卻劑。
五、傳熱的基本原理
凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。
熱量傳遞的兩個基本規律是：
---熱量從高溫區流向低溫區；
---高溫區發出的熱量必定等於低溫區吸收的熱量。
熱量的傳遞過程可區分為穩定過程和不穩定過程兩大類：
---凡是物體中各點溫度不隨時間而變化的熱傳遞過程稱為穩定熱傳遞過程；
---反之則稱為不穩定過程。
六、傳熱的基本方式
導熱、對流、輻射。它們可以單獨出現，也可能兩種或三種形式同時出現。
七、導熱機理
氣體導熱是由氣體分子不規則運動時相互碰撞的結果。
金屬導體中的導熱主要靠自由電子的運動來完成。
非導電固體中的導熱是通過晶格結構的振動實現的。
液體中的導熱機理主要靠彈性波的作用。
八、熱設計三個常用措施：降耗、導熱、佈局
降耗是不讓熱量產生；導熱是把熱量導走不產生影響；佈局是熱也沒散掉但通過措施隔離熱敏感器件；有點類似於電磁兼容方面針對發射源、傳播路徑、敏感設備的三個措施。
降耗是最原始最根本的解決方式，降額和低功耗的設計方案是兩個主要途徑，低功耗的方案需要結合具體的設計進行分析，不予贅述。器件選型時儘量選用發熱小的元器件，如片狀電阻、線繞電阻(少用碳膜電阻)；獨石電容、鉭電容(少用紙介電容)；MOS、CMOS電路(少用鍺管)；指示燈採用發光二極管或液晶屏(少用白熾燈)，表面安裝器件等。除了選擇低功耗器件外，對一些溫度敏感的特型元件進行溫度補償與控制也是解決問題的辦法之一，尤其是放大電路的電容電阻等定量測量關鍵器件。
降額是最需要考慮的降耗方式，假設一根細導線，標稱能通過10A的電流，電流在其上產生的熱量就較多，把導線加粗，增大餘量，標稱通過20A的電流，則同樣都是通過10A電流時，因為內阻產生的熱損耗就會減小，熱量就小。而且因為降額，在環境溫度升高時，器件性能下降情況下，但因為有餘量，即使性能下降，也能滿足要求，這是降額對於增強可靠性的另一個作用。
導熱的設計規範比較多，比較常見的有：
1. 進風口和出風口之間的通風路徑須經過整個散熱通道，一般進風口在機箱下側方角上，出風口在機箱上方與其最遠離的對稱角上；
2.避免將通風孔及排風孔開在機箱頂部朝上或面板上；
3.為防止氣流回流，進口風道的橫截面積應大於各分支風道截面積之和；
4.對靠近熱源的熱敏元件，採用物理隔離法或絕熱法進行熱屏蔽。熱屏蔽材料有：石棉板、硅橡膠、泡沫塑料、環氧玻璃纖維板，也可用金屬板和澆滲金屬膜的陶瓷；
5.將散熱>1w的零件安裝在機座上，利用底板做為該器件的散熱器，前提是機座為金屬導熱材料；
6.熱管安裝在熱源上方且管與水平面夾角須>30度；
7.PCB用多層板結構（對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.熱源器件專門設計在一個印製板上，並密封、隔離、接地和進行散熱處理；
9.散熱裝置(熱槽、散熱片、風扇)用措施減少熱阻：
(1)擴大輻射面積，提高發熱體黑度；
(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熱材料；
(3)散熱器葉片要垂直印製板；
(4)大熱源器件散熱裝置直接裝在機殼上；
10.密封電子設備內外均塗黑漆可輔助散熱；為避免輻射熱影響熱敏器件、熱源屏蔽罩內面的輻射能力要強（塗黑），外面光滑（不影響熱敏器件），通過熱傳導散熱。
11.密封電子設備機殼內外有肋片，以增大對流和輻射面積。
12.不重複使用冷卻空氣；
13.為了提高主要發熱元件的換熱效率、可將元件裝入與其外形相似的風道內。
14.被散熱器件與散熱器之間充填導熱膏(脂)，以減小接觸熱阻；
15.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；
16.輻射是真空中傳熱的唯一方法，1確保熱源具有高的輻射係數，如果處於嵌埋狀態，利用金屬傳熱器傳至冷卻裝置上；2增加輻射黑度ε；3增加輻射面積s；4輻射體對於吸收體要有良好的視角，即角係數φ要大；5不希望吸收熱量的零部件，壁光滑易於反射熱。
17.機殼表面溫度不高於環境溫度10℃。
佈局設計常採取的方法：
1.元器件佈局減小熱阻的措施：
(1)元器件安裝在最佳自然散熱的位置上；
(2)元器件熱流通道要短、橫截面要大和通道中無絕熱或隔熱物；
(3)發熱元件分散安裝；
(4)元器件在印製板上豎立排放。
2.元器件排放減少熱影響：
(1)有通風口的機箱內部，電路安裝應服從空氣流動方向：進風口→放大電路→邏輯電路→敏感電路→集成電路→小功率電阻電路→有發熱元件電路→出風口，構成良好散熱通道；
(2)發熱元器件要在機箱上方，熱敏感元器件在機箱下方，利用機箱金屬殼體作散熱裝置。
3.合理佈局準則：
(1)將發熱量大的元件安裝在條件好的地方，如靠近通風孔；
(2)將熱敏元件安裝在熱源下面。零件安裝方向橫向面與風向平行，利於熱對流。
(3)在自然對流中，熱流通道盡可能短，橫截面積應儘量大；
(4)冷卻氣流流速不大時，元件按叉排方式排列，提高氣流紊流程度、增加散熱效果；
(5)發熱元件不安裝在機殼上時，與機殼之間的距離應>35—1000px
4.冷卻內部部件的空氣進口須加過濾裝置，且不必拆開機殼即可更換或清洗。
5.設計上避免器件工作熱環境的穩定性，以減輕熱循環與衝擊而引起的溫度應力變化。溫度變化率不超過1℃/min，溫度變化範圍不超過20℃，此指標要求可根據產品不同由廠家自行調整。
6.元器件的冷卻劑及冷卻方法應與所選冷卻系統及元件相適應，不會因此產生化學反應或電解腐蝕。
7.冷卻系統的電功率一般為所需冷卻熱功率的3%一6%；
8.冷卻時，氣流中含有水分，溫差過大，會產生凝露或附著，防止水份及其它汙染物等導致電氣短路、電氣間隙減小或發生腐蝕。
措施：
1).冷卻前後溫差不要過大；
2).溫差過大會產生凝露的部位，水分不會造成堵塞或積水，如果有積水，積水部位的材料不會發生腐蝕；
3).對裸露的導電金屬加熱縮套管或其他遮擋絕緣措施。
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