结构设计与热设计

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1、电子电气产品结构设计在电子行业中的结构设计一般是：在电子设备中，由工程材料按合理的连接方式进行 连接，且能安装电子元、器件及机械零、部件，使设备成为一个整体的基础结构，能够实现 预定的电气、结构等功能。而在电子行业中由于各种标准（国家标准、国际标准、行业标准等）对我们的设备提出了不同的要求。如标准YD-T 1095-2000通信用不间断电源UPS标准、UL1778等。 其中标准要求有：4.1 环境条件4.1.1 正常使用条件环境温度：5C40C；相对湿度或3% （402） C,无凝露海拔高度应不超过1000m；若超过1000m时按GB/T3859.2规定降容使用。4.1.2 贮存运输环境及机械

2、条件温度：-25C+55C （不含电池）振动、冲击条件应符合GB/T 14715-93中的5.3.2规定。4.2 外观与结构4.2.1 机箱镀层牢固,漆面均匀,无剥落、锈蚀及裂痕等现象。4.2.2 机箱表面平整,所有标牌、标记、文字符号应清晰、正确、整齐。4.2.3 各种开关便于操作,灵活可靠。4.4 电磁兼容限值4.4.1 传导干扰在150KHz30MHz频段内，系统电源线上的传导干扰电平应符合YD/T 983-1998 中 5.1 表2中规定的限制。4.4.2 电磁辐射干扰在30MHz1000MHz频段内系统的电磁辐射干扰电压电平应符合YD/T 983-1998 中 5.2表4中规定的限值

3、。4.4.3 抗干扰性能要求应符合YD/T 983-1998中7.3表9中规定的判断准则。第一讲 结构设计与热设计电子电气行业中的热设计是指，采用适当可靠的方法控制电子设备内部所有电子元器件 的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证设备正常运 行的安全性和长期运行的可靠性。在UPS中，主要的热源来自于开关管（IGBT、三极管、二极管等）、磁性元件（变压器、 电感等）等。由于开关管体积较小，其热密度较高，开关管的散热主要是采用传导的方式将 热量传递到散热器上，再通过对流的方式散发到空气中。磁性元件体积相对较大，其主要的 散热方式为对流散热。在 UPS 的热设计中除了

4、主要考虑开关管、磁性元件外还需要考虑寿 命受温度影响很大的电容。1结构设计与热设计的关系11 开关元件与散热器的安装，安装开关元件与散热器的扭矩应合适，使两者之间有较 小的接触热阻：安装扭矩太小不能使元件与散热器良好接触，形成较大的热阻；扭矩过大能 导致管荷产生应力和构件产生塑性变形，接触面反而减小，甚至结构破坏。因而在设计安装 时应对元件采用厂家或标准中给出的预紧力。在我们产品中开关元件与散热器安装主要有三 种方式：第一种方式：弹片将开关元件压在散热器上。 特点以及注意事项： 注意不同的弹片适合的不同的开关管 弹片在压紧开关管时的压力为605N 弹片压紧开关管的地方应在开关管发热 源 注意开

5、关管压紧与焊接管脚的顺序第二种方式：开关管焊接在铝基板，铝基板 再通过螺纹固定在散热器上特点以及注意事项： 无铅焊接时，零件表面与铝基板之间的 气体在制作过程中无法溢出，在焊接时 中间存在孔洞。 当功率较大时，铜柱无法在铝基板上焊 接，需要采用开关管管脚直接焊接在 PCB板，布局受到一定限制 多管并用时，有开关管的电气连接可以 利用铝基板连接铝基板无铅焊接孔洞结构简单、灵活，配合灵活的散热片能 够实现其散热多用于发热量较小的开关管紧固时应使用合适的扭矩第三种方式：开关管通过螺丝直接紧锁在散 热器上特点以及注意事项：构强度以及空间要求。在开关管散热设计时多采用铝型材作为其散热器，这样将不可避免的

6、增大固定设计的强度。而合理的利用散热器能够减轻整机的重量并缩 小占用的空间。在如作图所示的结构中：充分利用了散热器的多个 面对开关管散热，大大缩小了 INVETER模块占有 的空间。同时由于散热片的重量，在散热片下部分 的PCB板上有9颗螺丝对整个模块进行固定。13 热传递的方式主要有传导、对流、辐射三种方式。在结构设计时应为热设计提供散热的途径。对于自然冷却型机器除了热传导和热对流外，热辐射散出去的热量也占有多于1%的量必要时可以通过涂漆增大辐射散热。结构上应提高机壳对外界的传热能力功率板变压器热交换孔图a,没有设计风道对于风机强制冷却，99%以上的热都是通过热传导和对流散出去，结构设计应为

7、其提供 良好的风道。用了 13个风扇吹风，为什么解决不了散热 问题？七十年代初期，集成电路尚未推广应 用，电子设备用得较多的TTL晶体管器件， 这类器件功耗大，散热问题是个重要课题。 有一大型控制台式结构，由于电路板布局分 散，设计师用了 13个风扇吹风，结果并未解 决散热问题，还带来一片噪声，使设备不能 正常工作。其原因主要是：没有设计好风道! 如图a所示，吹风扇安装在插箱内PCB的上 方，结构上没有设计出风口，结果排出的“热” 风在机内循环，并形成噪杂的噪声。如果在插箱上部留出排风空间，将吹 风扇安装在插箱的下方，形成顺畅的风道（见 图2-3），就会较好地解决通风散热问题了。14 强制风冷

8、时，结构设计造成的风阻以及噪音的影响。当图示的模块的背部到背板的 距离L较大时，背板上的网孔和 模块背后的网孔将会对模块内 部吹出来的风形成两道风阻，影 响模块的热设计。当LW10时模 块的后盖板和背板才允许都开 网孔的形式，当L10时，背板 应开较大方孔以减小对模块的 风阻。采用强制风冷时，应注意风机与开孔面板之间的距离以避免噪音的影响如左图所示，此处的风扇选用高 转速的风扇，由于风机与前面板 之间的距离太近，导致该模块插 入3A3 120K机柜中运行时，“尖啸”声盖过整机的声音。我 们将风扇与盖板之间的距离拉 开5mm后，其噪音减小了一半。1. 5此处的铝基板实现 了基本绝缘，但整个 散热

9、系统固定在铝 外壳上面，在结构上 需要实现散热系统 与外壳之间的加强丿1. 6由于风扇的寿命有限，因而必要时需要对风扇进行易拆换的结构设计。2热设计的基本原则以及对整机系统布局的要求。21 热设计的基本原则 保证热控制系统具有良好的冷却功能，保证设备内的电子器件均能在规定的热 环境中正常运行，每个元器件的位置必须符合安装要求。 保证设备散热系统的可靠性，在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应比元 器件的故障率低。 散热系统应有良好的热适用性。设计中可调性必须留有余地，因为设备运行一 段时间后，由于工程上的变化，可能惠引起损耗或流体流动的阻力增大，则要求增 大其散热能力，以便无需多大的变更就能增

10、加其散热能力。 散热系统应具有良好的可维修性。 散热系统应具有良好的经济性。经济性包括热控制系统的初次投资成本、日常 运行和维修费用。设计一个性能良好的散热系统，应综合考虑各方面的因素，使其既能够满足热控制的要 求，又能达到电气性能指标，所用的代价小，结构紧凑、工作可靠。22 热设计对整机系统布局要求. 对温度敏感的热敏元件应放在设备的冷区，不应放在发热元件的附近以免热量 对其影响 元器件的布置可根据其允许温度分类，允许温度较高的元件可放在允许温度较 低的元器件之上，也可以根据耐热程度按递增的规律不知，耐热性好的元器件放在 冷却气流下游，耐热性差的元器件放在冷却气流的上游。 带引线的电气元器件

11、应尽量利用引线导热，安装使防止产生热应力，应有消除 热应力的结构措施。 电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性以及有利于提高气流紊流程度 应尽量减小安装截面热阻以及传热路径上的热阻 元器件的安装应便于维修23 元器件之间的热屏蔽 尽可能将通路直接到热源 减少高温与低温元器件之间的耦合，必要时加热屏蔽板形成热区和冷区 尽量降低空气或其它冷却剂的温度梯度 将高温元器件安装在内表面具有高的黑度、外表面低黑度的外壳中，这些外壳 与散热器有良好的导热连接。元器件引线是重要的导热途径，引线尽可能粗大。3结构设计改善风道的方式31整机布局使系统内的气流流畅。左图是计算机主机的风冷示意图，图中前面 板选用一

12、个大风量的轴流风扇向机内吹风， 并将发热元器件集中的主板对准进风口，使 冷却空气顺畅也通过插件构成的风道流向机 箱后部；在机箱后面板靠近电源模块一侧， 也安装了一个大风量的轴流风扇进行抽风， 因为机箱后部的风道比较复杂，为了使风道 加宽，把插件支架与后面板的距离加大，使 机内高气流顺畅地排走。32 结构设计为热设计提供足够的稳压腔，便于空气的混合。33 充分利用各种散热器的特点，在布局上提高其散热效率。图一图图三左图所示：模块由3个风机强制散热, 由于，该部件属高可靠性要求，在风机 散热时，需要风风的冗余。因而需要在 风机和散热片之间留有足够的空间冷 气流的混合如上图所示，为充分利用热管特性以及热源分布的情况，在布局上逐步改善其热设计。 图一：初步设计时，将热管设计成一个整体，整个散热系统形成了很大的温度梯度，在 冷却风流的下游开关管的温度较高。图二：改善流道，并提供冷热风流的混合腔，提高散热效率。 图三：重新分布热源，让冷气流充分冷却热源。