工程師做熱設計不得不注意的若干事項

　　在調試或維修電路的時(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，局部空間內短時(shí)間內通過(guò)較大的電流，會(huì )轉化成熱，熱聚。集不易散掉，導致局部溫度快速升高，過(guò)高的溫度會(huì )燒毀導電銅皮、導線(xiàn)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，如果假設電流過(guò)載嚴重，但該部位散熱極好，能把溫升控制在很低的范圍內，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，一方面使設備和零部件的耐高溫特性提高，能承受較大的熱應力（因為環(huán)境溫度或過(guò)載等引起均可）；另一方面是加強散熱，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。下面介紹下熱設計的常規方法。

　　我們機電設備常見(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)應該散熱，哪種方式散熱最合適呢？這可以依據熱流密度來(lái)評估，熱流密度=熱量 / 熱通道面積。

　　按照《GJB/Z27-92電子設備可靠性熱設計手冊》的規定（如圖1），根據可接受的溫升的要求和計算出的熱流密度，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)，落在自然冷卻區內，得出自然對流和輻射即可滿(mǎn)足設計要求。

　　大部分熱設計適用于上面這個(gè)圖表，因為基本上散熱都是通過(guò)面散熱。但對于密封設備，則應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應的散熱方式。比如某電源調整芯片，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冷卻可滿(mǎn)足要求。

　　按照上圖，可以得出冷卻方法的選擇順序：自然冷卻一導熱一強迫風(fēng)冷一液冷一蒸發(fā)冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導、輻射、自然對流等方法冷卻；0.122-0.43W/cm3強迫風(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℃，就需要對散熱方式降額使用，0.122時(shí)就需要選擇強迫風(fēng)冷，如果要求溫升很低，甚至要選擇液冷或蒸發(fā)冷卻了。

　　這里面還應注意一個(gè)問(wèn)題，是不是強迫風(fēng)冷能滿(mǎn)足散熱要求，我們就可以隨便選擇風(fēng)扇轉速呢，就好像說(shuō)某件工作，專(zhuān)科學(xué)歷的知識水平即可勝任，是不是隨便抓個(gè)大專(zhuān)生就能做好呢，當然不是，風(fēng)扇的轉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）

　　熱阻越小則導熱性能越好，這個(gè)概念等同于電阻，兩端的溫度差類(lèi)似于電壓，傳導的熱量類(lèi)似于電流。風(fēng)道的熱阻涉及流體力學(xué)的一些計算，如果我們在熱設計方面要求不是很苛刻，可通過(guò)估算或實(shí)驗得出，如果要求很苛刻，可以查閱《GJB/Z27-92 電子設備可靠性熱設計手冊》，里面有很多系數、假設條件的組合，三言?xún)烧Z(yǔ)說(shuō)不清楚，個(gè)別系數我也沒(méi)搞明白如何與現實(shí)的風(fēng)道設計結合，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，對一些系數則只能估算了，最準確的方式反而是實(shí)驗測量了。

　　熱阻更多的是用于散熱器的選擇，一般廠(chǎng)家都能提供這個(gè)參數。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℃，計算所需散熱器的熱阻R。

　　計算：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。依據這個(gè)數值選散熱器就可以了。

　　這里面注意一個(gè)問(wèn)題，我們在計算中默認為熱耗≈芯片功率，對一般的芯片，我們都可以這樣估算，因為芯片中沒(méi)有驅動(dòng)機構，沒(méi)有其他的能量轉換機會(huì )，大部分是通過(guò)熱量轉化掉了。而對于電源轉換類(lèi)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化成了熱，另外很大部分轉化成電能輸出了，這時(shí)候就不能認為熱耗≈功率。

　　以上部分是定量設計部分的內容，在有了一個(gè)定量的設計指導后，也有一些具體的工程技巧來(lái)幫助實(shí)現理論計算結果的要求。 一般的熱設計思路有三個(gè)措施：降耗、導熱、布局。

　　降耗是不讓熱量產(chǎn)生；導熱是把熱量導走不產(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(lèi)似于電磁兼容方面針對發(fā)射源、傳播路徑、敏感設備的三個(gè)措施。

　　降耗是最原始最根本的解決方式，降額和低功耗的設計方案是兩個(gè)主要途徑，低功耗的方案需要結合具體的設計進(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(xiàn)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，對一些溫度敏感的特型元件進(jìn)行溫度補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量關(guān)鍵器件。

　　降額是最需要考慮的降耗方式，假設一根細導線(xiàn)，標稱(chēng)能通過(guò)10A的電流，電流在其上產(chǎn)生的熱量就較多，把導線(xiàn)加粗，增大余量，標稱(chēng)通過(guò)20A的電流，則同樣都是通過(guò)10A電流時(shí)，因為內阻產(chǎn)生的熱損耗就會(huì )減小，熱量就小。而且因為降額，在環(huán)境溫度升高時(shí)，器件性能下降情況下，但因為有余量，即使性能下降，也能滿(mǎn)足要求，這是降額對于增強可靠性的另一個(gè)作用，將是另一篇博客文章的內容。

　　導熱的設計規范比較多，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)口在機箱下側方角上，出風(fēng)口在機箱上方與其最遠離的對稱(chēng)角上；

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

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

　　4.對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(xiàn)或地線(xiàn)在電路板的最上層或最下層…

　　8.熱源器件專(zhuān)門(mén)設計在一個(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：

　?。?）擴大輻射面積，提高發(fā)熱體黑度；

　?。?）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；

　?。?）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殼上；

10.密封電子設備內外均涂黑漆可輔助散熱；為避免輻射熱影響熱敏器件、熱源屏蔽罩內面的輻射能力要強(涂黑)，外面光滑(不影響熱敏器件)，通過(guò)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.不重復使用冷卻空氣；

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。

14.抽鼓風(fēng)冷卻方式的選擇…

15.風(fēng)機的選擇…

16.被散熱器件與散熱器之間充填導熱膏(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，如果處于嵌埋狀態(tài)，利用金屬傳