產(chǎn)品熱設(shè)計基礎(chǔ)

1、產(chǎn)品熱設(shè)計基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)部 畢金成,主要內(nèi)容,1.概述2.熱設(shè)計的基礎(chǔ)知識3.熱電模擬方法4.風(fēng)扇知識5.熱設(shè)計的基本原則6.熱仿真知識簡介7.熱設(shè)計驗證方法,主要內(nèi)容,1.概述2.熱設(shè)計的基礎(chǔ)知識3.熱電模擬方法4.風(fēng)扇知識5.熱設(shè)計的基本原則6.熱仿真知識簡介7.熱設(shè)計驗證方法,為什么要進行熱設(shè)計,電子器件發(fā)熱功率密度越來越高高溫對電子產(chǎn)品的影響： - 元器件損壞 - 絕緣性

2、能退化 - 材料熱老化 - 低熔點焊縫開裂、焊點脫落高溫對元器件的影響： - 電阻阻值變化 - 電容壽命縮短 - 變壓器、扼流圈絕緣材料性能下降 - 晶體管燒壞,為什么要進行熱設(shè)計,熱設(shè)計就是根據(jù)電子元器件的熱特性和傳熱學(xué)的原理，采取各種結(jié)構(gòu)措施控制電子設(shè)備的工作溫度，使其在允許的溫度范圍之內(nèi)。,怎么進行熱設(shè)計,理論分析 - 較少問

3、題可獲得分析解 - 定性分析數(shù)值模擬 - 獲得數(shù)值解 - 目前解決復(fù)雜傳熱問題的主要手段測試,熱設(shè)計實施過程,產(chǎn)品規(guī)格定義和系統(tǒng)設(shè)計階段,產(chǎn)品正式開發(fā)階段,整機試裝階段,,,初步熱設(shè)計：散熱方式選擇、風(fēng)道設(shè)計、指導(dǎo)單板布局,詳細(xì)熱設(shè)計：詳細(xì)風(fēng)道設(shè)計、單板關(guān)鍵器件熱分析和溫度控制、散熱器（風(fēng)扇）的選擇和分析,熱設(shè)計驗證：解決遺留的、涉及面比較小的散熱問題,熱設(shè)計方案判定標(biāo)準(zhǔn),公司的降額規(guī)范

4、結(jié)溫電磁元件的繞組及鐵芯最高溫度安規(guī)要求：機箱表面溫度限制等采用的散熱方式有較高的可靠性和經(jīng)濟性,主要內(nèi)容,1.概述2.熱設(shè)計基礎(chǔ)知識3.熱電模擬方法4.風(fēng)扇知識5.熱設(shè)計的基本原則6.熱仿真知識簡介7.熱設(shè)計驗證方法,熱設(shè)計基礎(chǔ)知識,傳熱三個途徑 傳導(dǎo)、對流和輻射 它們可以單獨出現(xiàn)， 也可以兩種或三種同時出現(xiàn),熱傳導(dǎo),機理：傳導(dǎo)是發(fā)生在兩種直接接觸的介質(zhì)（固體，液體，氣體）傳導(dǎo)過程中，能量

5、主要通過以下方式傳遞:自由電子運動（固體金屬）分子晶格振動彈性波（一般固體和液體）分子不規(guī)則熱運動（氣體）,熱傳導(dǎo),導(dǎo)熱的基本方程（在一維穩(wěn)態(tài)溫度場下） Q＝λF導(dǎo) △t/δ=△t/R導(dǎo) λ---- 導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K或W/m.℃; F導(dǎo)--- 垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，m2 △T---- 溫差，℃;

6、 δ-- 厚度(m) R導(dǎo)----- 導(dǎo)熱熱阻, ℃/W； 導(dǎo)熱系數(shù)： 表征材料導(dǎo)熱性能的參數(shù)指標(biāo)，它表明單位時間、單位面積、負(fù)的溫度梯度下的導(dǎo)熱量，單位為W/m.K或W/m.℃。,熱傳導(dǎo),常用材料的導(dǎo)熱系數(shù),熱傳導(dǎo),增強熱傳導(dǎo)的主要措施 - 選用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料（金屬材料）制造熱傳導(dǎo)零件； - 最大

7、限度地減少接觸熱阻（適當(dāng)增大熱傳導(dǎo)零件間的接觸面積和壓力，在兩接觸面間涂導(dǎo)熱硅脂或墊入軟金屬箔等）； - 盡量縮短熱傳導(dǎo)路徑，熱傳導(dǎo)路徑中不應(yīng)有絕熱或隔熱元件。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Heat sink,Heat source,,,,,對流,對流換熱機理： 對流換熱是發(fā)生在有溫差的固體表面和運動流體（氣體或液體）間的換熱過程，對流可以是自然和強迫對流。自然對流是由冷、熱流體

8、溫度變化引起的流體內(nèi)部密度差而產(chǎn)生的流動；強迫對流則是由外部方式（泵或風(fēng)機）造成的流體內(nèi)壓力不同引起的流動。,對流,對流換熱的基本方程 Q＝αF對△t=△t/R對 α---- 對流換熱系數(shù)，W/m2.K或/m2.℃; F對--- 有效對流換熱面積，m2； △T---- 溫差，℃;

9、 R對流----- 對流熱阻, ℃/W 對流換熱系數(shù)：反映兩種介質(zhì)間對流換熱過程的強弱，表明當(dāng)流體與壁面的溫差為1 ℃時，在單位時間通過單位面積的熱量，單位為W/m2.K或W/m2.℃。,對流,Laminar Flow 層流（流體分子的流線相互平行，互不交叉） Turbulent Flow 湍流（流體分子不規(guī)則運動） 雷諾數(shù)Re(Reyn

10、lods)：雷諾數(shù)的大小反映了流體流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數(shù)是說明流體流態(tài)的一個相似準(zhǔn)則。,對流,估計的對流換熱系數(shù) - 自然對流（空氣）5 W/m2K - 強制對流（空氣）25 W/m2K - 強制對流（水）15,000 W/m2K - 蒸發(fā) 200,000 W/m2

11、K,對流,自然對流,對流,自然對流，散熱器方向,,gravity,對流,強制對流,,,,,,,,,,,,,,,,,高流阻,低流阻,,,對流,表觀面積與有效散熱面積 q = h·A ·(Ths-Tair),Heat flow,對流,影響對流換熱的因素 - 流體的物理性質(zhì)（流體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度和動力粘度等）； - 換熱表面的形狀、大小和位置。增強對流換熱的主要措施-

12、加大溫差，降低散熱物體周圍對流介質(zhì)的溫度；- 加大散熱面積，采取有利于對流散熱的形狀和安裝位置；- 加大對流介質(zhì)的流動速度，以帶走更多的熱量（強迫對流比自然對流的對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大）；選用有利于增強對流換熱的流體作為介質(zhì)（液體比氣體的對流換熱能力強）；破環(huán)邊界層。,熱輻射,輻射是發(fā)生在兩種沒有直接接觸的表面, 能量通過電磁波傳遞。電磁波是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)發(fā)生改變時激發(fā)出來的，所有物體大于0 K均發(fā)生熱輻射特點：不

13、需要介質(zhì),熱輻射,幾乎所有熱輻射發(fā)生在紅外波長范圍(0.1 to 100微米)能量傳遞率與物體表面狀況及相關(guān)物體之間的角系數(shù)有關(guān) Q＝5.67×10-8ε12f12F輻射(T14-T24) ε12---- 系統(tǒng)黑度，ε12＝1/(1/ε1+1/ε2-1) ε1，ε2----分別為物體1和物體2的黑度;

14、 f12------ 角系數(shù) F輻射 ---物體的輻射面積，m2; T1, T2--分別為物體1和物體2的絕對溫度，K黑度：實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。,,熱輻射,增強輻射散熱的主要措施- 在零部件或散熱片上涂覆黑色粗糙的漆，增大其輻射系數(shù)，從而增強輻射能力；熱敏感元件的表面應(yīng)做成

15、光亮的表面，減小其輻射系數(shù)，從而減小吸收輻射熱量；- 加大輻射體的表面積；- 設(shè)法降低設(shè)備周圍的溫度，加大輻射體與周圍環(huán)境的溫差。,主要內(nèi)容,1.概述2.熱設(shè)計的基礎(chǔ)知識3.熱電模擬方法4.風(fēng)扇知識5.熱設(shè)計的基本原則6.熱仿真知識簡介7.熱設(shè)計驗證方法,熱電模擬法,熱電模擬法：用電氣工程師熟悉的電路網(wǎng)絡(luò)表示方法來處理熱設(shè)計問題，將熱流量(功耗)模擬成電流；溫差模擬成電壓(或電位差)；熱阻模擬成電阻，熱導(dǎo)模擬成電導(dǎo)；

16、熱容模擬成電容。溫度(溫差) 是引起熱流量傳遞的“電位”；恒溫?zé)嵩吹刃в诶硐氲暮銐涸?；恒定的熱流源等效于理想的電流源。熱沉等效于“接地”或“地線”，所有的熱源和熱回路均與其相連，形成熱電模擬網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)熱、對流和輻射換熱的區(qū)域均可用熱阻來處理熱阻：熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W，可分為導(dǎo)熱熱阻，對流熱阻，輻射熱阻及接觸熱阻四類。,熱電模擬法,導(dǎo)熱熱阻：

17、 R導(dǎo)=δ/(λF)對流熱阻： R對=1/（α對F）輻射熱阻 R輻=1/（α輻F）,,,,,δ,,,,,,F,熱電模擬法,熱電模擬法,熱路及熱網(wǎng)絡(luò)的案例分析 熱阻串聯(lián) 熱阻并聯(lián),熱電模擬法,元器件的散熱途徑,熱電模擬法,功率器件的結(jié)溫計算- 如果已知道散熱器基板溫度Ts , 器件結(jié)殼熱阻Rth(j

18、-c)由器件承認(rèn)書查取，則器件的工作結(jié)溫為： Tj=Ts+ PT×(Rth(j-c)+Rth(c-s) )- 如果已知器件芯片到環(huán)境的熱阻Rth(j-a)，環(huán)境溫度，則器件的工作結(jié)溫為： Tj=Ta+ PT×Rth(j-a),主要內(nèi)容,1.概述2.熱設(shè)計的基礎(chǔ)知識3.熱電模擬方法4.風(fēng)扇知識5.熱設(shè)計的基本原則6.熱仿真知識簡介7.熱設(shè)計驗證方法,風(fēng)扇的

19、基本知識,風(fēng)扇的種類 - 按工作類型分：有軸流風(fēng)扇和離心風(fēng)扇、混流風(fēng)扇三類。 軸流風(fēng)機：風(fēng)量大，壓頭小，噪音小 離心式風(fēng)機：風(fēng)壓較高，一般適應(yīng)于 阻力較大的發(fā)熱元器件或機柜冷卻 - 按軸承類別分：有滾動軸承及含油軸 承(軸瓦軸承)兩類，由于含油軸承的使 用壽命比滾動軸承低的多，一般電子 設(shè)備均采用滾動軸承。 - 按輸入電源類型分：有直流風(fēng)扇和交 流風(fēng)扇兩大類。,風(fēng)扇的基

20、本知識,吹風(fēng)與抽風(fēng)方式的選擇原則優(yōu)先采用吹風(fēng)方式，吹風(fēng)有如下優(yōu)點： - 風(fēng)量相對較集中，可以以較大的風(fēng)速針對局部區(qū)域進行集中冷卻 - 能夠有效防止風(fēng)扇馬達過熱，提高風(fēng)扇的使用壽命。 - 可以以較大的壓力迫使灰塵不能夠在機箱內(nèi)聚積，而通過出風(fēng)口或縫隙流出。只有在以下情況下才選擇抽風(fēng)： - 希望流場規(guī)則；各部分風(fēng)量比較均勻，適用于熱量分散的整機或機箱。 -

21、 進風(fēng)口無法安裝風(fēng)扇。 - 不希望風(fēng)扇馬達加熱空氣而對后面的元器件產(chǎn)生影響。 - 不希望熱風(fēng)吹到客戶。,風(fēng)扇的基本知識,通風(fēng)機的特性曲線：指通風(fēng)機在某一固定轉(zhuǎn)速下工作，靜壓、效率和功率隨風(fēng)量變化的關(guān)系曲線。系統(tǒng)的阻力特性曲線：是指流體流過風(fēng)道所產(chǎn)生的壓力隨空氣流量變化的關(guān)系曲線，與流量的平方成正比。通風(fēng)機工作點： 系統(tǒng)(風(fēng) 道)的特性曲線與風(fēng)機的 靜壓曲線的交點就是風(fēng) 機

22、的工作點。風(fēng)道的局部阻力與沿程 阻力：局部阻力指由于風(fēng) 道的截面積發(fā)生變化而引 起的壓力損失； 沿程阻力 指由于流體粘性而引起的 壓力損失。,風(fēng)扇的基本知識,,軸流風(fēng)扇,后彎式離心風(fēng)扇,前彎式離心風(fēng)扇,風(fēng)扇的基本知識,風(fēng)扇的串聯(lián)與并聯(lián) 串聯(lián) Q=Q1=Q2 并聯(lián) Q=Q1+Q2

23、 P=P1+P2 P=P1=P2,風(fēng)扇的基本知識,海拔高度對風(fēng)扇性能的影響 - 由于體積流量只與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速成正比，所以，體積流量不受海拔高度的影響。 - 由于質(zhì)量流量正比于空氣的密度，而空氣的密度隨海拔高度的升高而逐漸降低，所以質(zhì)量流量也會隨海拔高度的升高而逐漸降低。 - 由于壓力正比于空氣的密度

24、，而空氣的密度隨海拔高度的升高而逐漸降低，所以壓力也會隨海拔高度的升高而逐漸降低。 (P0)altitude = (P0)Sea Level (raltitude/rSea Level),風(fēng)扇的基本知識,海拔高度對風(fēng)扇曲線的影響,風(fēng)扇的基本知識,海拔高度對系統(tǒng)阻力曲線的影響,風(fēng)扇的基本知識,如何修正海拔高度對散熱的影響？ DT altitude＝Multip

25、lier× DT Sea Level,風(fēng)扇的基本知識,風(fēng)扇的安裝原則 - 設(shè)備中最大損耗的元器件應(yīng)靠近出風(fēng)口。 - 保證進風(fēng)口或出風(fēng)口面積大于風(fēng)扇的通風(fēng)面積。 - 保證空氣流通并能夠以較大的風(fēng)速流過較熱的區(qū)域。 - 避免在兩個熱點之間用一個小風(fēng)扇來冷卻。 - 溫度敏感的元器件應(yīng)盡量靠近風(fēng)道入口。 - 盡可能采用吹風(fēng)以防止灰塵聚積。 - 盡可能采用空隙率較大的防塵網(wǎng)以減小阻

26、力。 - 保證風(fēng)扇工作的風(fēng)扇曲線的安全區(qū)，嚴(yán)禁風(fēng)扇工作在曲線的拐點附近。 - 對吹風(fēng)的情況，為了避免風(fēng)扇的SWIRL的影響，風(fēng)扇與最近的障礙物間至少保證一個風(fēng)扇的距離。,風(fēng)扇的基本知識,風(fēng)扇的安裝原則,風(fēng)扇的基本知識,風(fēng)扇的安裝原則：風(fēng)扇安裝在系統(tǒng)中，由于結(jié)構(gòu)限制，進風(fēng)口和出風(fēng)口常常會受到各種阻擋，其性能曲線會發(fā)生變化，如圖所示。由圖中可以看出，風(fēng)扇的進出風(fēng)口最好與阻擋物有40mm的距離，如果有空間限制，也應(yīng)至少有一個風(fēng)

27、扇的厚度。,主要內(nèi)容,1.概述2.熱設(shè)計的基礎(chǔ)知識3.熱電模擬方法4.風(fēng)扇知識5.熱設(shè)計的基本原則6.熱仿真知識簡介7.熱設(shè)計驗證方法,熱設(shè)計的基本原則,功率器件的選擇原則 - 在其它性能參數(shù)相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用允許結(jié)溫Tj高的功率器件（根據(jù)供應(yīng)商手冊提供的數(shù)據(jù)進行篩選）；在其它性能參數(shù)相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用結(jié)殼熱阻Rjc較小的功率器件(根據(jù)供應(yīng)商手冊提供的數(shù)據(jù)進行篩選）。 - 在其它性能參數(shù)相同的

28、情況下，應(yīng)優(yōu)先選用傳熱面較大的功率器件(根據(jù)供應(yīng)商手冊提供的數(shù)據(jù)進行篩選）,以減小功率器件與散熱器間的接觸熱阻Rcs。,熱設(shè)計的基本原則,PCB的熱設(shè)計的基本準(zhǔn)則一：加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔，以加大PCB的散熱面積二：散熱焊盤由過孔連接到內(nèi)層夾心層進行散熱和熱平衡三：增大散熱面積及對流四：CTE(熱膨脹系數(shù))的補償：利用彈性材料和焊點作緩沖，減小CTE失配帶來的影響；選用有引腳器件。五：焊盤的隔熱設(shè)計(在過波峰焊或回流

29、焊時由于散熱太快容易造成焊接不良),熱設(shè)計的基本原則,PCB布局1.應(yīng)將不耐熱的元件(如電解電容器)放在靠近進風(fēng)口的位置，而將本身發(fā)熱而又耐熱的元件(如電阻,變壓器等)放在靠近出風(fēng)口的位置。2.應(yīng)將功率大、發(fā)熱量大的元器件放在出風(fēng)口的位置。3.當(dāng)元器件的發(fā)熱密度超過0.6W/cm3，單靠元器件的引線腿及元器件本身不足充分散熱，應(yīng)采用輔助散熱措施。4.發(fā)熱元器件與周圍器件之間保證足夠的距離5.采用短通路，元器件直接貼在散熱器表面

30、則是最經(jīng)濟、最可靠、最有效的散熱措施。6.風(fēng)道順暢7.對于多層印制線路板，應(yīng)利用電鍍通孔來減少通過線路板的傳導(dǎo)熱電阻。這些小孔就是熱通路或稱熱道。,熱設(shè)計的基本原則,減小接觸熱阻措施盡可能增大接觸面積； 確保接觸表面平滑； 為了改善器件與散熱器接觸面的狀況，應(yīng)在接觸面涂導(dǎo)熱介質(zhì)，常用的導(dǎo)熱介質(zhì)有導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅油、熱絕緣膠等。把器件裝配在散熱器上時，應(yīng)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊中提供的安裝壓力或力矩進行裝配，壓力不足會使接觸熱阻

31、增加，壓力過大會損壞器件。,熱設(shè)計的基本原則,風(fēng)道的設(shè)計原則1.風(fēng)道盡可能短，縮短管道長度可以降低風(fēng)道阻力；2.盡可能采用直的風(fēng)道，直管加工容易，局部阻力小；3.風(fēng)道的截面尺寸和出口形狀，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，截面形狀可為圓形，也可以是正方形或長方形；4.底板、隔熱板、屏蔽板、印制板的位置應(yīng)以不要阻礙或阻斷氣流為原則,熱設(shè)計的基本原則,自然對流風(fēng)路設(shè)計1.功能單元(模塊)布局應(yīng)考慮

32、機柜的風(fēng)路設(shè)計要求, 對直齒型散熱器, 應(yīng)保證散熱器的齒槽垂直于水平面, 有利于形成“煙囪”效應(yīng)。2.機箱內(nèi)元器件布置應(yīng)較稀疏，有利于空氣流通。3.進出風(fēng)口的高度差盡可能大。4.自然冷卻條件下，對設(shè)備內(nèi)有多塊PCB板時，應(yīng)與進風(fēng)方向平行并列安裝，每塊PCB板間的間距應(yīng)大于30mm,熱設(shè)計的基本原則,強迫對流風(fēng)路設(shè)計1.如果發(fā)熱分布均勻，元器件的間距應(yīng)均勻，以使風(fēng)均勻流過每一個發(fā)熱源；2.如果發(fā)熱分布不均勻，在發(fā)熱量大的區(qū)域元器

33、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)風(fēng)裝置，以使風(fēng)能有效的流到關(guān)鍵發(fā)熱器件；3.如果風(fēng)扇同時冷卻散熱器及模塊內(nèi)部的其它發(fā)熱器件，應(yīng)在模塊內(nèi)部采用阻流方法，使大部分的風(fēng)量流入散熱器；4.進風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：一方面盡量使其對氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。,熱設(shè)計的基本原則,型材（鑄鋁）散熱器的選擇及設(shè)計原則1. 材質(zhì)的選擇：散熱器材料應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，一般推薦使用 澆鑄

34、或壓鑄散熱器： 鑄鋁 λ=120W/m.k 鋁型材散熱器：6063（LD31） λ=180W/m.k 特殊條件下： 紫銅 λ=380W/m.k 2. 散熱器安裝器件的表面光潔度Ra<1.63. 應(yīng)保證散熱器具有一定的基板厚度，推薦5-10mm之間；而對工作在間歇式方式下的散熱器，基板的大小應(yīng)充分考慮散熱器的瞬態(tài)熱阻，具體情況具體設(shè)計。 4. 當(dāng)散熱器流向長

35、度大于300mm以上，應(yīng)把散熱器的肋片從中間斷開，以增加流體擾動，提高對流換熱系數(shù)。 5. 自然對流散熱器齒間距應(yīng)適當(dāng)增大，以避免熱邊界層相互交叉。,熱設(shè)計的基本原則,冷板散熱器的選擇及設(shè)計原則1. 冷板的特點：冷板的溫度梯度小，熱分布均勻，可帶走較大的集中熱載荷；換熱系數(shù)大，傳熱效率高；單位條件的傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小；基于冷板具有上述優(yōu)點, 在功耗較大，且產(chǎn)品的空間(體積)及重量受限時，須選用冷板。2.冷板的材料：對真

36、空釬焊成形方式 基板：型材6063 翅片：純鋁,熱設(shè)計的基本原則,冷卻方法的選擇：需考慮設(shè)備的熱流密度，總損耗，能提供的散熱表面積及體積，設(shè)備和元器件的允許溫度(溫升)，環(huán)境條件等因素,熱設(shè)計的基本原則,冷卻方法的選擇 在所有的冷卻方法中應(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻，因為自然冷卻不僅成本低，而且可靠性高。只有在自然冷卻無法滿足散熱要求時，才考慮其它冷卻。 當(dāng)冷卻表面的熱流密度為0.024

37、-0.039W/cm2，采用自然對流。 當(dāng)冷卻表面的熱流密度為0.078W/cm2，采用強迫風(fēng)冷。,主要內(nèi)容,1.概述2.熱設(shè)計的基礎(chǔ)知識3.熱電模擬方法4.風(fēng)扇知識5.熱設(shè)計的基本原則6.熱仿真知識簡介7.熱設(shè)計驗證方法,仿真分析方法簡介,數(shù)值計算是在最近三四十年里快速發(fā)展起來的傳熱方法。除了計算機硬件的發(fā)展提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)外，還因為無論分析的方法或?qū)嶒灥姆椒ǘ加休^大的限制。仿真方法優(yōu)點： 1.成

38、本較低 2.能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點 3.開發(fā)周期短 4.便捷。在給定的參數(shù)下用計算機對現(xiàn)象進行一次數(shù)值模擬相當(dāng)于進行了一次數(shù)值實驗。,仿真分析方法簡介,流程示意圖,建立幾何模型,邊界條件設(shè)置,工況設(shè)定,網(wǎng)格劃分,求解問題設(shè)定,運算求解,后處理,優(yōu)化設(shè)計,,,,,降額&安規(guī)要求,,,,,,,,,,前處理,仿真分析方法簡介,前處理與關(guān)鍵輸入信息,建立幾何模型,邊界條件設(shè)置,工況設(shè)定,機箱尺寸、PCB尺寸及

39、預(yù)布局、器件資料（構(gòu)造與尺寸）、產(chǎn)品正常安裝條件下的幾何約束尺寸、IP等級和開孔限制、冷卻方式選擇、風(fēng)扇尺寸及型號,環(huán)境條件（環(huán)境溫度、高海拔、太陽輻射、外部氣流等）、器件損耗,工作狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)還是瞬間過載、過載幅度和過載時間）,仿真分析方法簡介,模型示意圖,仿真分析方法簡介,后處理輸出內(nèi)容及意義,溫度分布云圖,速度分布云圖、矢量圖、粒子流,壓力分布云圖,溫度分布整體情形、關(guān)鍵器件的溫升情況、確定熱點位置,檢查氣流有無漩渦、死區(qū)、繞流、回

40、流等情況，為優(yōu)化設(shè)計指引方向,輔助速度云圖等檢查、流動阻力,風(fēng)扇工作點圖,風(fēng)扇選型、查看風(fēng)扇是否工作在穩(wěn)定區(qū)域,仿真分析方法簡介,后處理示意圖,仿真分析方法簡介,結(jié)論輸出散熱器參數(shù)風(fēng)扇型號、數(shù)量與安裝方式通風(fēng)口大小與位置特殊風(fēng)道結(jié)構(gòu)要求風(fēng)險預(yù)估,仿真分析方法簡介,計算誤差分析1 幾何模型失真（尺寸，芯片分布）2 功率損耗不準(zhǔn)確（偏大、偏小、分配）3 物性參數(shù)偏差（導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等）4 器件資料偏差（結(jié)殼熱阻、結(jié)溫）5

41、 網(wǎng)格劃分（粗糙）6 測試偏差,仿真分析方法簡介,解決方法1 建立詳細(xì)的幾何模型，并與實物逼近；2 準(zhǔn)確的模塊幾何模型及功率損耗；3 物性參數(shù)準(zhǔn)確；4 設(shè)計裕量；5 合理的網(wǎng)格劃分，梯度較大的區(qū)域網(wǎng)格要足夠細(xì)密；6 規(guī)范測試,主要內(nèi)容,1.概述2.熱設(shè)計的基礎(chǔ)知識3.熱電模擬方法4.風(fēng)扇知識5.熱設(shè)計的基本原則6.熱仿真知識簡介7.熱設(shè)計驗證方法,熱設(shè)計的驗證方法,溫度測試測試環(huán)境： 常溫測試：設(shè)

42、計參數(shù)測試，方案優(yōu)化。忽略了空氣物性參數(shù)隨溫度的變化。 高溫測試：用于產(chǎn)品質(zhì)量的鑒定，需在環(huán)境實驗箱內(nèi)測試 要求：實驗箱體積/實驗樣品體積>5 樣品的任何表面與實驗箱壁面距離大于20cm 實驗箱采用強迫對流循環(huán)時，要求箱內(nèi)風(fēng)速小于0.5m/s測試項目：機箱內(nèi)環(huán)境溫度 機箱表面溫

43、度（自然對流要求） 關(guān)鍵元器件和發(fā)熱元器件的表面溫升 散熱器、冷板的熱點溫升 冷卻空氣進口溫度和出口溫升,熱設(shè)計的驗證方法,溫度測試測點的布置方法（一） 元器件測點布置原則：將測點布置在溫度最高或較高的熱點位置，這些點常常是在距器件內(nèi)部熱源最近或者散熱條件最為惡劣的位置。 扁平封

44、裝的集成芯片：發(fā)熱平面的幾何中心點 半導(dǎo)體功率晶體管管殼溫度：布置在距離芯片最近的熱點位置上 功率電阻器：豎直放置的，2/3高度位置； 水平放置的，布置在中間位置 電容表面溫度：金膜電容—引腳與電容體連接部位 電解電容—最好將頂部塑料膜打開，測試鋁殼溫度。,熱設(shè)計的驗證方法,溫度測試測試點的布置

45、方法（二） 電磁元件：布置在散熱通道氣流下游背風(fēng)位置，而且應(yīng)該分別測試?yán)@組和磁芯溫度，以便得出銅損和鐵損的參考值。測點最好布置在繞組和磁芯內(nèi)部。如不能實現(xiàn)，則在表面散熱條件比較差的位置布置測點，測量結(jié)果再加上10度的經(jīng)驗值(根據(jù)損耗變化) 溫度臨界或?qū)囟让舾械脑骷砻鏈囟龋涸谠骷砻鏌狳c附近布置兩個測點，取溫度最大值 散熱器：布置在散熱器基板上對應(yīng)于元器件發(fā)熱中心的位置，不能布置在散熱器翅

46、片上 環(huán)境溫度：自然對流— 距各主要表面80mm處 強制對流— 距新空氣進口處80-200mm處,熱設(shè)計的驗證方法,溫度測試測試儀器：熱電偶、玻璃溫度計、示溫蠟片和示溫漆、熱敏電阻、光學(xué)溫度計、紅外掃描系統(tǒng) 熱電偶：兩種不同成份的導(dǎo)體兩端接合成回路，當(dāng)接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理

47、進行溫度測量的。 光學(xué)溫度計和紅外掃描儀：根據(jù)紅外輻射能量測溫。它要求知道被測表面的發(fā)射率，而且被測面必須可見，這限制了它們的使用,熱設(shè)計的驗證方法,溫度測試熱電偶分度號：主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶，N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。 K型熱電偶：鎳鉻-鎳硅熱電偶 鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。 J型

48、熱電偶：鐵-銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵-康銅熱電偶，也是一種價格低廉的廉金屬的熱電偶。 T型熱電偶：銅-銅鎳熱電偶又稱銅-康銅熱電偶，也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。,熱設(shè)計的驗證方法,溫度測試常用熱電偶測溫范圍和精度,熱設(shè)計的驗證方法,風(fēng)速測試空氣流速測量內(nèi)容：(1)風(fēng)道入口空氣流速；(2)風(fēng)道出口空氣流速；(3) 主要單板間和空槽位處的風(fēng)速 空氣流速測量儀器：通常使用的風(fēng)速計有風(fēng)輪風(fēng)速儀、熱線（球）風(fēng)速

49、儀以及皮托管差壓計,熱設(shè)計的驗證方法,流體壓力測試流體壓力的分類：當(dāng)流體在管道中流動時，能夠測到三種壓1)靜壓，(2)動壓，(3)總壓，一般只需測試出其中的兩種第三種可通過下面的公式下式計算出來： 總壓＝靜壓＋動壓 動壓：相對于流動速度的壓力，是流體動能的一種量度。 靜壓：存在于流體中的壓縮壓力，是流體位能的一種量度。靜壓存在于靜止或運動的流體中，它能夠使流體流動，并使它