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工程师做热设计不得不注意的若干事项

2010-09-28 09:12
小伊琳
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  在调试或维修电路的时候,我们常提到一个词“××烧了”,这个××有时是电阻、有时是保险丝、有时是芯片,可能很少有人会追究这个词的用法,为什么不是用“坏”而是用“烧”?其原因就是在机电产品中,热失效是最常见的一种失效模式,电流过载,局部空间内短时间内通过较大的电流,会转化成热,热聚。集不易散掉,导致局部温度快速升高,过高的温度会烧毁导电铜皮、导线和器件本身。所以电失效的很大一部分是热失效。

  那么问一个问题,如果假设电流过载严重,但该部位散热极好,能把温升控制在很低的范围内,是不是器件就不会失效了呢?答案为“是”。

  由此可见,如果想把产品的可靠性做高,一方面使设备和零部件的耐高温特性提高,能承受较大的热应力(因为环境温度或过载等引起均可);另一方面是加强散热,使环境温度和过载引起的热量全部散掉,产品可靠性一样可以提高。下面介绍下热设计的常规方法。

  我们机电设备常见的是散热方式是散热片和风扇两种散热方式,有时散热的程度不够,有时又过度散热了,那么何时应该散热,哪种方式散热最合适呢?这可以依据热流密度来评估,热流密度=热量 / 热通道面积。

  按照《GJB/Z27-92电子设备可靠性热设计手册》的规定(如图1),根据可接受的温升的要求和计算出的热流密度,得出可接受的散热方法。如温升40℃(纵轴),热流密度0.04W/cm2(横轴),按下图找到交叉点,落在自然冷却区内,得出自然对流和辐射即可满足设计要求。

  

  大部分热设计适用于上面这个图表,因为基本上散热都是通过面散热。但对于密封设备,则应该用体积功率密度来估算,热功率密度=热量 / 体积。下图(图2)是温升要求不超过40℃时,不同体积功率密度所对应的散热方式。比如某电源调整芯片,热耗为0.01W,体积为0.125cm3,体积功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3,查下图得出金属传导冷却可满足要求。

  

  按照上图,可以得出冷却方法的选择顺序:自然冷却一导热一强迫风冷一液冷一蒸发冷却。体积功率密度低于0.122W/cm3传导、辐射、自然对流等方法冷却;0.122-0.43W/cm3强迫风冷;0.43~O.6W/cm3液冷;大于0.6W/cm3蒸发冷却。注意这是温升要求40℃时的推荐参考值,如果温升要求低于40℃,就需要对散热方式降额使用,0.122时就需要选择强迫风冷,如果要求温升很低,甚至要选择液冷或蒸发冷却了。

  这里面还应注意一个问题,是不是强迫风冷能满足散热要求,我们就可以随便选择风扇转速呢,就好像说某件工作,专科学历的知识水平即可胜任,是不是随便抓个大专生就能做好呢,当然不是,风扇的转速与气流流速有直接关系,这里又涉及一个新概念——热阻。

  热阻=温度差 / 热耗 (单位℃/W)

  热阻越小则导热性能越好,这个概念等同于电阻,两端的温度差类似于电压,传导的热量类似于电流。风道的热阻涉及流体力学的一些计算,如果我们在热设计方面要求不是很苛刻,可通过估算或实验得出,如果要求很苛刻,可以查阅《GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册》,里面有很多系数、假设条件的组合,三言两语说不清楚,个别系数我也没搞明白如何与现实的风道设计结合,比如,风道中有一束电缆、风道的壁不是均匀的金属板,而是有高低不平带器件的电路板,对一些系数则只能估算了,最准确的方式反而是实验测量了。

  热阻更多的是用于散热器的选择,一般厂家都能提供这个参数。举例,芯片功耗20W,芯片表面不能超过85℃,最高环境温度55℃,计算所需散热器的热阻R。

  计算:实际散热器与芯片之间的热阻近似为0.1℃/W,则(R+0.1)=(85-55) ℃/20W,则R=1.4℃/W。依据这个数值选散热器就可以了。

 

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