可靠性设计：热设计介绍

Posted 2021-04-19 结构攻城师

生活中，我们的手机有死机的时候，汽车有电子产品故障的时候，是什么原因造成的呢？

一个重要的原因是温度影响着产品的寿命与系统的可靠性。温升过高，导致周围环境温度持续升高而不能有效控制，将会导致所有电子元器件故障率增高，整机寿命减少，系统可靠性无法得到保障。

有关热设计问题，本文做一简单的介绍，希望对我们工作有所帮助。

一、为什么要进行热设计

高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。

二、热设计的基本问题

电子设备的有效输出功率比所需的输入功率小得多，而这部分多余的功率则转化为热而耗散掉。

随着电子技术的发展，电子元器件和设备日趋小型化，使得设备的体积功率密度大大增加。

提供一条低热阻通路，保证热量顺利传递出去。

三、热设计的目标

热设计应满足设备可靠性的要求；热设计应满足设备预期工作的热环境的要求；热设计应满足对冷却系统的限制要求；降低成本。

四、热设计应考虑的问题

太阳辐射，灰尘、纤维微粒，寿命周期费用，热瞬变，维修性，水气的冷凝，冷却剂。

五、传热的基本原理

凡有温差的地方就有热量的传递。

热量传递的两个基本规律是：

---热量从高温区流向低温区；

---高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量。

热量的传递过程可区分为稳定过程和不稳定过程两大类：

---凡是物体中各点温度不随时间而变化的热传递过程称为稳定热传递过程；

---反之则称为不稳定过程。

六、传热的基本方式

导热、对流、辐射。它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现。

七、导热机理

气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。

金属导体中的导热主要靠自由电子的运动来完成。

非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动实现的。

液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。

八、热设计三个常用措施：降耗、导热、布局

降耗是不让热量产生；导热是把热量导走不产生影响；布局是热也没散掉但通过措施隔离热敏感器件；有点类似于电磁兼容方面针对发射源、传播路径、敏感设备的三个措施。

降耗是最原始最根本的解决方式，降额和低功耗的设计方案是两个主要途径，低功耗的方案需要结合具体的设计进行分析，不予赘述。器件选型时尽量选用发热小的元器件，如片状电阻、线绕电阻(少用碳膜电阻)；独石电容、钽电容(少用纸介电容)；MOS、CMOS电路(少用锗管)；指示灯采用发光二极管或液晶屏(少用白炽灯)，表面安装器件等。除了选择低功耗器件外，对一些温度敏感的特型元件进行温度补偿与控制也是解决问题的办法之一，尤其是放大电路的电容电阻等定量测量关键器件。

降额是最需要考虑的降耗方式，假设一根细导线，标称能通过10A的电流，电流在其上产生的热量就较多，把导线加粗，增大余量，标称通过20A的电流，则同样都是通过10A电流时，因为内阻产生的热损耗就会减小，热量就小。而且因为降额，在环境温度升高时，器件性能下降情况下，但因为有余量，即使性能下降，也能满足要求，这是降额对于增强可靠性的另一个作用。

导热的设计规范比较多，比较常见的有：

1.进风口和出风口之间的通风路径须经过整个散热通道，一般进风口在机箱下侧方角上，出风口在机箱上方与其最远离的对称角上；

2.避免将通风孔及排风孔开在机箱顶部朝上或面板上；

3.为防止气流回流，进口风道的横截面积应大于各分支风道截面积之和；

4.对靠近热源的热敏元件，采用物理隔离法或绝热法进行热屏蔽。热屏蔽材料有：石棉板、硅橡胶、泡沫塑料、环氧玻璃纤维板，也可用金属板和浇渗金属膜的陶瓷；

5.将散热>1w的零件安装在机座上，利用底板做为该器件的散热器，前提是机座为金属导热材料；

6.热管安装在热源上方且管与水平面夹角须>30度；

7.PCB用多层板结构（对EMC也有非常非常大的好处），使电源线或地线在电路板的最上层或最下层；

8.热源器件专门设计在一个印制板上，并密封、隔离、接地和进行散热处理；

9.散热装置(热槽、散热片、风扇)用措施减少热阻：

(1)扩大辐射面积，提高发热体黑度；

(2)提高接触表面的加工精度，加大接触压力或垫入软的可展性导热材料；

(3)散热器叶片要垂直印制板；

(4)大热源器件散热装置直接装在机壳上；

10.密封电子设备内外均涂黑漆可辅助散热；为避免辐射热影响热敏器件、热源屏蔽罩内面的辐射能力要强（涂黑），外面光滑（不影响热敏器件），通过热传导散热。

11.密封电子设备机壳内外有肋片，以增大对流和辐射面积。

12.不重复使用冷却空气；

13.为了提高主要发热元件的换热效率、可将元件装入与其外形相似的风道内。

14.被散热器件与散热器之间充填导热膏(脂)，以减小接触热阻；

15.被散热器件与散热器之间要有良好的接触，接触表面光滑、平整，接触面粗糙度Ra≤6.3μm；

16.辐射是真空中传热的唯一方法，1确保热源具有高的辐射系数，如果处于嵌埋状态，利用金属传热器传至冷却装置上；2增加辐射黑度ε；3增加辐射面积s；4辐射体对于吸收体要有良好的视角，即角系数φ要大；5不希望吸收热量的零部件，壁光滑易于反射热。

17.机壳表面温度不高于环境温度10℃。

… …

布局设计常采取的方法：

1.元器件布局减小热阻的措施：

(1)元器件安装在最佳自然散热的位置上；

(2)元器件热流通道要短、横截面要大和通道中无绝热或隔热物；

(3)发热元件分散安装；

(4)元器件在印制板上竖立排放。

2.元器件排放减少热影响：

(1)有通风口的机箱内部，电路安装应服从空气流动方向：进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集成电路→小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口，构成良好散热通道；

(2)发热元器件要在机箱上方，热敏感元器件在机箱下方，利用机箱金属壳体作散热装置。

3.合理布局准则：

(1)将发热量大的元件安装在条件好的地方，如靠近通风孔；

(2)将热敏元件安装在热源下面。零件安装方向横向面与风向平行，利于热对流。

(3)在自然对流中，热流通道尽可能短，横截面积应尽量大；

(4)冷却气流流速不大时，元件按叉排方式排列，提高气流紊流程度、增加散热效果；

(5)发热元件不安装在机壳上时，与机壳之间的距离应>35—1000px

4.冷却内部部件的空气进口须加过滤装置，且不必拆开机壳即可更换或清洗。

5.设计上避免器件工作热环境的稳定性，以减轻热循环与冲击而引起的温度应力变化。温度变化率不超过1℃/min，温度变化范围不超过20℃，此指标要求可根据产品不同由厂家自行调整。

6.元器件的冷却剂及冷却方法应与所选冷却系统及元件相适应，不会因此产生化学反应或电解腐蚀。

7.冷却系统的电功率一般为所需冷却热功率的3%一6%；

8.冷却时，气流中含有水分，温差过大，会产生凝露或附着，防止水份及其它污染物等导致电气短路、电气间隙减小或发生腐蚀。

措施：

1).冷却前后温差不要过大；

2).温差过大会产生凝露的部位，水分不会造成堵塞或积水，如果有积水，积水部位的材料不会发生腐蚀；

3).对裸露的导电金属加热缩套管或其他遮挡绝缘措施。

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