艾默生电子设备强迫风冷热设计规范样本Word文件下载.docx
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●机壳选材
●构造设计与布局
●器件选取
●散热器设计与选用
●通风口设计、风路设计
●热路设计
●选取电扇
3核心术语
3.1热环境
设备或元器件表面温度、外形及黑度,周边流体种类、温度、压力及速度,每一种元器件传热通路等状况
3.2热特性
设备或元器件温升随热环境变化特性,涉及温度、压力和流量分布特性。
3.3导热系数(λw/m.k)
表征材料热传导性能参数指标,它表白单位时间、单位面积、负温度梯度下导热量。
3.4对流换热系数(αw/m2.k)
对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程强弱,表白了当流体与壁面间温差为1℃时,在单位时间通过单位面积热量。
3.5热阻(℃/w)
反映介质或介质间传热能力大小,表白了1W热量所引起温升大小。
3.6流阻(Pa)
流阻反映了流体流过某一通道时所产生压力差。
3.7雷诺数(Re)
雷诺数大小反映了流体流动时惯性力与粘滞力相对大小,雷诺数是阐明流体流态一种相似准则。
3.8普朗特数(Pr)
普朗特数是阐明流体物理性质对换热影响相似准则。
3.9格拉晓夫数(Gr)
格拉晓夫数反映了流体所受浮升力与粘滞力相对大小,是阐明自然对流换热强度一种相似准则。
3.10定性温度
拟定对流换热过程中流体物理性质参数温度。
3.11肋片效率
表达某扩展表面单位面积所能传递热量与同样条件下光壁所能传递热量之比。
3.12黑度
实际物体辐射力和同温度下黑体辐射力之比,它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。
3.13努谢尔特数Nu(Nusseltl)
反映出同一流体在不同状况下对流换热强弱,是一种阐明对流换热强弱相似准则。
3.14传热单元数NTU
为无因次量,其数值反映了在给定条件下所需传热面积大小,是一种反映冷板散热器综合技术经济性能指标。
3.15冷板传热有效度E
衡量冷板散热器在传递热量方面接近于抱负传热状况限度,它定义为冷板散热器实际传热量和理论传热量之比,为无因次量
3.16防尘网阻力
防尘网对气流形成阻力。
防尘网积灰,阻力增长,当阻力增大到某一规定值时,过滤器报废。
新防尘网阻力称“初阻力”;
相应防尘网报废阻力值称“终阻力”。
设计时,常需要一种有代表性阻力值,以核算系统设计风量,这一阻力值称“设计阻力,惯用办法是取初阻力与终阻力平均值。
3.17外部环境温度定义
自冷时指距设备各重要表面80mm处温度平均值;
逼迫风冷(使用电扇)时指距离空气入口80~200mm截面温度平均值。
3.18机箱表面温度定义
机箱表面温度指在机箱各表面几何中心处温度。
3.19设备风道进、出口风温定义
冷却空气入口、出口温度指在入口或出口处与风速方向垂直截面内各点温度平均值。
3.20冷板散热器
指采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片工艺成型齿间距较密,宽高比较大散热器。
4引用/参照原则或资料
下列原则包括条文,通过在本原则中引用而构成本原则条文。
在原则出版时,所示版本均为有效。
所有原则都会被修订,使用本原则各方应探讨使用下列原则最新版本也许性。
GBxxxxx-89电力半导体器件用散热器使用导则
GB11456-89电力半导体器件用型材散热器技术条件
GJB/Z27-92国家军用原则汇编,电子设备可靠性设计手册
GB/T12992-91电子设备逼迫风冷热特性测试办法
GB/T12993-91电子设备热性能评估
电子设备构造设计原则手册
TS-S0E0199001电子设备逼迫风冷热设计规范
分散式散热产品热设计规范
5规范内容
5.1遵循原则
5.1.1进行产品热设计应与电气设计、构造设计同步进行,平衡热设计、构造设计、电气设计各种需求。
5.1.2热设计应遵循相应国际、国内原则、行业原则、公司原则。
5.1.3热设计应满足产品可靠性规定,以保证设备内元器件均能在设定热环境中正常工作,并保证达到设定MTBF指标。
5.1.4各个元器件参数选取、安装位置与方式必要符合散热规定。
5.1.4.1元器件发热表面与散热表面之间接触热阻应尽量小。
5.1.4.2依照元器件损耗大小及温升规定拟定与否加装散热器。
5.1.4.3在规定有效期限内,冷却系统(如电扇等)故障率应比元件故障率低。
5.1.5模块控制回路中尽量加装温度继电器、压力继电器等热保护回路以及风速调节回路,以提高系统可靠性。
5.1.6在进行热设计时,应考虑相应设计冗余,以避免在使用过程中因工况发生变化而引起热耗散及流动阻力增长。
5.1.7热设计应考虑产品经济性指标,在保证散热前提下使其构造简朴、可靠且体积最小、成本最低。
5.1.8冷却系统要便于测试与维护。
5.1.9采用逼迫风冷条件:
在常压下,逼迫风冷应用范畴为0.04-0.31w/cm2,不大于0.04w/cm2采用自然冷却,不不大于0.31w/cm2须采用水冷或其他表面冷却。
5.2产品热设计规定
5.2.1产品热设计指标
5.2.1.1散热器表面温度最高处温升应不大于45℃.
5.2.1.2模块内部空气平均温升应不大于20℃。
5.2.2元器件热设计指标
元器件热设计指标应符合TS-S0A0204001《器件应力降额规范》,详细指标如下:
5.2.2.1功率器件工作结温应不大于最大结温(0.5-0.8)倍
对额定结温为175℃功率器件,工作结温不大于140℃.
对额定结温为150℃功率器件,工作结温不大于120℃.
对额定结温为125℃功率器件,工作结温不大于100℃.
5.2.2.2碳膜电阻 120℃
金属膜电阻 100℃
压制线绕电阻150℃
涂剥线绕电阻225℃
5.2.2.3变压器、扼流圈表面温度
A级90℃
B级110℃
F级150℃
H级180℃
5.2.2.4电容器表面温度
纸质电容器75-85℃
电解电容器65-80℃
薄膜电容器75-85℃
云母电容器75-85℃
陶瓷电容器75-85℃
5.3系统热设计
5.3.1常用系统风道构造
5.3.1.1系统风道设计某些基本原则:
●尽量采用直通风道,避免气流转弯。
在气流急剧转弯地方,应采用导风板使气流逐渐转向,使压力损失达到最小。
●尽量避免骤然扩展和骤然收缩。
●进、出风口尽量远离,防止气流短路。
●在机柜面板、侧板、后板没有特别规定普通不要开通风孔,防止气流短路。
图1系统布局要点示意图
●为避免上游热量回流到下游,影响其散热,可以采用独立风道,分开散热。
●风道设计应保证系统各个区域散热均匀,避免在回流区和低速区产生热点。
●并联风道应依照各风道散热量规定分派风量,避免风道阻力不合理布局。
●要避免风道高低压区短路。
●最大损耗元器件应接近出风口。
●保证进、出风口面积不不大于电扇通风面积。
●保证空气流通并可以以较大风速流过较热区域。
●避免在两个热点之间用一种小电扇来冷却。
●温度敏感元器件应尽量接近电扇入口。
●尽量采用吹风以防止灰尘聚积。
●尽量采用空隙率较大防尘网以减小阻力。
●高热器件位置规定
如果不能消除SWIRL影响,即无法保证流出电扇框流场是近似均匀流场,则必要避免布置高热器件在流场旋涡区域,由于该区域风速最小。
5.3.1.2某些典型风道构造
风道1
风道2
最简朴鼓风风道,由机柜底部进风,可由机柜顶部出风。
如果规定防滴落,可在顶部加盖板,侧出风,或顶部安装金属丝网。
接近电扇区域换热效果最佳,由于风道必然存在漏风,并且离电扇较远处流场分布已较均匀,因此上区域风速相对较低,换热比较弱,并且下面区域热量将带入上插框。
由于机柜内为正压,灰尘不会从缝隙进入机柜。
最简朴抽风风道,由机柜底部进风。
流场分布均匀,各区域换热强度相差不大。
但如果风道中有较大缝隙,,则会形成气流某些短路,下面区域通风量将大大减少。
下面区域热量依然被带入上面区域。
机柜内为负压,灰尘将通过缝隙进入机柜。
风道3
风道4
电扇框串联风道,合用于机柜风阻较大状况。
接近电扇出风口某些换热最强烈,但要注意电扇HUB附近将形成回流死区。
中间插框由于上下电扇串联,气流不能充分扩散,接近拉手条和母板某些风速会比较低,宜将发热元器件与热敏元器件布于单板中间。
如果单板较深,依照需要在深度方向上可采用两排电扇。
电扇也可分别置于机柜顶部和底部,但噪音将比置于插框间大。
插框独立抽风散热风道,合用于各框散热量都比较大状况,各插框散热互不干扰。
机柜由开孔前门进风,顶插框可以上出风,下面插框后出风。
采用轴流电扇时,出风直接受阻挡,风阻较大。
如果机柜不适当做得较深,必要在后门开孔,并且机柜离墙有足够距离;
如果机柜可以做得较深,可以在后门与母板间流出足够宽度空间作为风道,将风从机柜顶部排出,由于风道多次垂直转弯,将形成较大风阻,宜在后风道安装导风装置或采用离心电扇。
注意,由于进风为水平方向,单板右上区(拉手条端)将形成回流区,此处不适当布置热流量较高元件和热敏元件。
风道5
风道6
自然对流独立散热风道,与风道4类似,无电扇,机柜出风口在后门顶部。
插框进出风口大小依照发热量和插框高度而定。
机柜背面风道规定有足够宽度,依照详细设计而定。
如果机柜中有插框需要电扇冷却,有插框自然散热即可(如发热量不大电源模块框),则采用独立风道方式,结合风道4与风道5,均可满足规定。
这样可以减少电扇,减少噪音与成本。
为LUCENT宽带传播机柜风道,与风道4、5类似,插框独立散热。
两个子框采用鼓风方式,最下面插框自然散热。
电扇斜放角度尽量不不大于45°
,避免电扇进风不利和产生较大噪音。
电扇前面斜板为防尘板,在这里安顿防尘板,可以增长防尘面积,减小阻力,均化流场。
如图可见,采用鼓风方式独立风道将大大增长机柜高度。
风道7
风道8
为风道6改进版,将电扇框与出风口作为一体,可节约高度空间,斜板尚有导风作用。
注意对于惯用直径120电扇,原则电扇框高度将达3U,比风道4中一体化电扇框高1U,但局部散热效果应比风道4状况好,合用于散热元器件比较集中且分布在风量集中区域状况。
电扇也可平放,高度可减少为2U,但噪音与进风会受一定影响。
运用斜挡板将上下风道分为两个某些独立散热,由于电扇进出风口没有受到直接阻挡,其风阻将比风道4、7状况要小,并且插框流场均匀,无回流低速区。
可依照风阻状况增长电扇框。
在富士通和三菱电机宽带CDMA样机中均采用类似风道构造,但电扇框直接放在进风口上面,噪音会比较大,但鼓风换热强度高,这种方式进风量会受一定影响。
风道9
风道10
此为CISCO1系统风道设计。
顶框为电源框,自带电扇先后通风。
下面有三个插框,风道顶部与底部各有一种电扇框,采用离心电扇后排风,电扇进风口前有一定高度静压腔使各单板送风均匀。
由中间插框前面板进风,装有防尘网。
这种风道将上下框散热量分开,避免了热量叠加,直接运用插框高度作为进风口,节约了机柜高度空间。
此为CISCO7513系统风道设计。
底部为电源模块,自带电扇先后通风。
顶部为离心电扇,向单板区抽风冷却,由机箱后下方进风,经机箱前面深约200风道向前下方排出。
风道11
风道12
MotorolaCPX8216机箱风道。
采用可变速轴流电扇鼓风,电扇竖放,电扇出风口处装有导风叶片,将气流按系统热量分布分为三个某些,一某些冷却电源模块,一某些冷却后插单板某些和前插单板后半某些,一某些冷却前插单板接近拉手条发热元器件。
这种设计使构造紧凑,风量合理分派。
这是典型机箱通风风道设计,采用离心电扇抽风,向后排出,进风口在机箱前下方。
威图和国外某些产品都采用这种风道。
咱们当前掌握离心电扇资料中没有适当型号可用于这种设计,重要由于离心风机风量过小,尺寸大,噪音也大。
风道13
风道14
风道12中如果没有适当离心电扇型号可选,可用轴流电扇竖放代替,但电扇模块将占用较大高度空间。
如果机箱高度有限制,可将电扇平放,但电扇出风口上方还是得留有一定出风空间,至少40mm,如风道4中电扇框同样,这种方式风阻较大,对风量有一定影响,需要采用较大尺寸电扇。
鼓风式机箱风道设计在Motorola某些产品中可以见到。
鼓风换热强度比抽风时高,但送风不均匀,在电扇中心和电扇之间都存在回流死区,要警惕这些死区存在,将发热芯片布置在气流集中地方。
将电扇出风口和单板保持50mm距离,可使流场均匀,但将增长高度空间。
此外,电扇进风口距离底板较近,会产生较大噪音,进风也受障碍,因此应尽量加大距离,距下壁面至少40mm。
风道15
风道16
Motorola曾在其基站产品中采用这种风道设计,进风口在机柜上前方,在机柜底部采用两个大离心电扇抽风,并向前方排出。
这种通风方式与自然对流方向背道而弛,重要是考虑避免高速气流正对人吹。
此外向机柜前方出风,避免了后出风时靠墙安装所遇到阻力。
风道16为我司典型模块风冷、机柜自冷电源系统风道构造,采用并联风道,每一种单元都进行单独通风冷却,单元通风可以是吹风或抽风。
如果没有前维护需求,系统出风口可以在后门板上,位置最佳直对电扇,顶部可以密封;
如果有前维护需求,后门板不能出风,则需运用系统“烟囱”效应,从顶部出风。
如果系统有门,系统进风口必要正对模块,其通风面积按5.3.2计算。
如果系统有前维护规定,需采用顶部出风风道构造,系统其他某些密封是必要,以防止风道短路及对上层配电元器件影响。
图2典型系统风道构造示意图
5.3.2系统通风面积计算
通风口面积大小应为:
S=(1.5-2.0)(N×
S模块)………………
(1)
S模块---系统通风面积,m2
N---每层模块总数
S模块---每一种模块通风面积,m2
5.3.3系统前门及防尘网对系统散热影响
如果前门进风口位置满足规定,并且进风面积足够,普通来讲,开门与关门有约2-5℃差别。
如果需在系统上加防尘网,虽然采用粗效防尘网,也将带来5-10℃差别。
5.4模块级热设计
5.4.1模块损耗计算办法
模块损耗可由下式计算.
Pdiss=(1/η-1)Pout………………………………………
(2)
Pdiss--模块损耗,W
Pout--模块输出功率,W
η--模块效率
功率损耗Pdiss是由于发热器件发热而引起,这些发热器件涉及开关管(MOSFET,IGBT),整流管(整流二极管及FRED),滤波电感,变压器以及开关管驱动等。
5.4.2机箱热设计
5.4.2.1机箱选材
如果需运用模块机箱作为散热器,则模块机箱必要选用铝合金材料,且模块内壁不得进行拉丝解决,材料厚度不得低于1.5mm。
如果不运用机箱进行散热,则模块机箱选材不受限制。
5.4.2.2模块通风面积
5.4.2.2.1电扇侧通风面积
无论是抽风还是吹风方式,安装电扇侧通风面积即为电扇流通面积,按下式计算:
S=K×
0.785(Dout2-DHUB2)……………………………(3)
S-电扇侧机箱通风面积,m2
k-冗余系数,取1.1-1.2
Dout-电扇框内直径,m
DHUB-电扇中心HUB直径,m
5.4.2.2.2非电扇侧通风面积
如果抽风电扇,非电扇侧通风面积不不大于等于电扇侧通风面积。
如果吹风电扇,考虑到空气受热体积膨胀因素,非电扇侧通风面积=(1.5-2.0)×
电扇侧通风面积。
5.4.2.3机箱表面解决
从热设计角度,无论机箱还是散热器,不推荐表面进行任何解决,额外表面解决对散热贡献较小,却增长了产品成本。
5.5单板级热设计
5.5.1选取功率器件时热设计原则
5.5.1.1在其他性能参数相似状况下,应优先选用容许结温Tj高功率器件(依照供应商手册提供数据进行筛选)。
5.5.1.2在其他性能参数相似状况下,应优先选用结壳热阻Rjc较小功率器件(依照供应商手册提供数据进行筛选)。
5.5.1.3在其他性能参数相似状况下,优先选用封装尺寸较大功率器件(依照供应商手册提供数据进行筛选),以减小器件与散热器间接触热阻Rcs。
5.5.1.4对于MOSFET器件,在结壳热阻Rjc相近条件下,应优先选用25℃下RD(ON)较小器件。
5.5.1.5对于IGBT器件,在结壳热阻Rjc相近条件下,应优先选用相似门极电阻下开关能量较小器件。
5.5.2元器件布局热设计原则
5.5.2.1普通性原则,如图3所示
图3元器件布局原则示意图
●最大损耗元器件应接近PCB边沿。
●温度敏感元器件应尽量接近进风口。
●高、大元器件如电磁元件、电容等不可以对气流形成阻挡。
●如果不能消除SWIRL影响,即无法保证流出电扇框流场是近似均匀流场,则必要避免布置高热器件在流场旋涡区域,由于该区域风速最小。
●散热器安装方向:
要保证散热器齿槽方向与风向平行
●散热器周边与其他元器件距离推荐不大于10mm。
5.5.3元器件安装
元器件安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间热阻,即接触热阻。
5.5.3.1为尽量减小传导热阻,应采用短通路,即尽量避免采用导热板或散热块把元器件热量引到散热器表面,而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效散热办法。
5.5.3.2为了改进器件与散热器接触面状况,应在接触面涂导热介质,惯用导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。
5.5.3.3对器件须与散热器绝缘状况,采用绝缘材料应同步具备良好导热性能,且可以承受一定压力而不被刺穿,详见5.5.4。
5.5.3.4把器件装配在散热器上时,应严格按照我司TS-S0E010《大功率管安装设计工艺规范》中提供安装压力或力矩进行装配,压力局限性会使接触热阻增长,压力过大会损坏器件,。
5.5.3.5将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大钼片上。
5.5.3.6对于多层印制线路板,应运用电镀通孔来减少通过线路板传导热电阻。
这些小孔就是热通路或称热道。
5.5.3.7当运用接触界面导热时,采用下列办法使接触热阻减到最小。
5.5.3.7.1尽量增大接触面积。
5.5.3.7.2保证接触表面平滑。
5.5.3.7.3运用软材料接触。
5.5.3.7.4扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)。
5.5.3.7.5运用合理紧固件设计来保证接触压力均匀。
5.5.4导热介质选用原则
为理解决功率器件与散热器间电气绝缘问题,功率器件与散热器间应加导热绝缘材料,考虑到性价比,在散热条件不是很恶劣,如功率器件损耗较小或功率器件处在有利通风位置时,可选用通用导热绝缘材料SP400,其他条件下可选用散热性能较好SP900S,只有在特殊状况下,才容许选用SP。
其性能参数如表1所示
表1惯用热界面材料性能参数表
材料
Sil-pad
Sil-pad900S
Sil-pad400
陶瓷基片
材料厚度(mm)
0.25±
0.025
0.23±
0.63±
导热系数W/m.k
3.5
1.6
0.9
27
单位面积热阻
℃-cm2/W
1.29
2.6
4.6
1.2
使用温度℃
-60~180℃
材料构成
硅橡胶/玻璃纤维
硅橡胶/聚脂薄膜
陶瓷+三氧化二铝
实测热阻值
<
0.4
0.6
0.35
实测热阻值是在采用TO-247封装,在紧固压力为12Kg.cm下测得。
5.5.4.1由于陶瓷基片在安装时容易碎裂,因此不推荐使用陶瓷基片。
5.5.4.2对于输出某些,由于总是处在出风口位置,一方面通过其功率管表面及散热器表面风均为热风,此外输出二极管某些背面总会有输出共模电感或差模电感之类体积较大器件,影响出风,因此该某些散热条件总是比较恶劣,为了减小散热器压力,可考虑采用散热器悬浮办法去掉功率管与散热器间导热绝缘膜,使功率管直接贴在散热器上。
5.5.4.3为了便于安装,导热绝缘膜可考虑选用单面背胶办法解决导热绝缘膜定位问题,即先将导热绝缘膜粘在安装位置,再进行功率管安装与紧固。
但必要注意,导热绝缘膜背胶会增长其热阻,由于胶不是良好导热介质,普通状况下,热阻会增长30-40%,因此,在热设计时需考虑该某些冗余。
5.5.4.4我司推荐大某些导热绝缘材料均采用硅橡胶为基体,质地较软,因而,在安装时不需要涂硅脂;
只有少数材料如SP400、SPK10、陶瓷基片等质地比较硬材料必要涂硅脂,规定硅脂必要涂敷均匀,硅脂层厚度不大于0.15mm。
5.5.5PCB板热设计原则
PCB板热设计重要任务是有效地把印制板上热引导到外部(散热器和大气中)。
5.5.1印制线载流容量和温升
设计印制板时要保证印制线载流容量,印制线宽度必要适于电流传导,不能引起超过容许温升和压降。
在实际应用中,常有较大电流流过输出端铜箔,如果输出铜箔设计过细,则会导致铜箔温度上升。
印制电路板材料、导电铜箔厚度、容许温升将影响到铜箔厚度应当多宽、能承受多大电流。
普通对1盎司环氧玻璃板,如果容许温升不大于10℃(考虑到系统内部环境温度也许超过70℃),则普通可按1A电流取1mm宽铜箔经验数据进行铜箔设计。
如如果流过电流为5A,对1盎司环氧玻璃板,其铜箔宽度可取5mm。
实际可按照容许温升大小按照图4进行选取。
图41盎司环氧玻璃板电流与铜箔宽度关系图,
需提示是,不同基板材料生产厂家,不同基板材料,则图12显示电流与铜箔关系是不相似。
可通过实验进行拟定。
5.5.2印制板散热
5.5.2.1选用厚度大印制线,以利于印制线导热和自然对流散热。
5.5.2.2减小元器件引线腿及元器件引线间热阻,增强元器件引
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- 艾默生 电子设备 强迫 风冷 设计规范 样本