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1、在调试或维修电路的时候，我们常提到一个词“XX烧了”，这个XX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
2、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*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40C（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
3、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40C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。簾說禅邮 lf006.9L22 W/cni詁弋率椚X帘r捋話4堞戲飯阳Wffi不忙，曲弟用的舎刼刖*-C活串丰事封申氓脚辞m 0,015a i? 1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
4、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；0.43O.6W/cm3液 冷；大于0.6W/cm3蒸发冷却。注意这是温升要求40C时的推荐参考值，如果温升要求低于40C，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
5、(单位C/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
6、85C，最高环境温度55C，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0.1C/W,则(R+0.1) = (85-55) C/20W,则R=1.4C/W。 依据这个数值选散热器就可以了。这里面注意一个问题，我们在计算中默认为热耗芯片功率，对一般的芯片，我们都可以这样估算， 因为芯片中没有驱动机构，没有其他的能量转换机会，大部分是通过热量转化掉了。而对于电源转换类芯 片或模块，则不可以这样算，比如电源，它是一个能源输出，它的输入电量一部分转化成了热，另外很大 部分转化成电能输出了，这时候就不能认为热耗功率。以上部分是定量设计部分的内容，在有了一个定量的设计指导后，也有一些具体
7、的工程技巧来帮助实 现理论计算结果的要求。 一般的热设计思路有三个措施：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
8、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，将是另一篇博客文章的内容。导热的设计规范比较多，挑一些比较常见的罗列：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
9、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
10、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. 抽鼓风冷却方式的选择15. 风机的选择16.
11、 被散热器件与散热器之间充填导热膏(脂)，以减小接触热阻；17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RaW6.3p m；18. 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 ； 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 数申要大；5不希望吸收热量的零部件，壁光滑易于反射热。19. 机壳表面温度不高于环境温度10C20. 液体冷却设计注意事项21. 半导体致冷适用于22. 变压器和电感器热设计检查项目23. 减小强迫对流热阻的措施24. 降低接触热阻的措施布局：1.
12、元器件布局减小热阻的措施：(2) 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：进风口一放大电路逻辑电路一敏感电路一 集成电路f小功率电阻电路f有发热元件电路f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：(2)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
13、，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3540cm4. 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lC/min，温度变化范围不超过20C，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；4对裸露的导电金属加热缩套管或其他遮挡绝 缘措施；上面对降耗、导热、布局的三类措施作了简要的罗列，在我们设计一个系统时，也要有一些系统的指 标进行*价和作为设计目标，比如电子设备的进口空气与出口空气温差应14C、系统总功耗 * W、系统 用到的电源电压不超过*种(种类越多，变换就多，效率损失就多)
