生活中，我們的手機(jī)會(huì)死機(jī)，汽車會(huì)出現(xiàn)故障，其他電子產(chǎn)品也時(shí)不時(shí)的會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題？這是什么原因造成的呢？

一個(gè)重要的原因是溫度影響著產(chǎn)品的壽命與系統(tǒng)的可靠性。溫升過(guò)高，導(dǎo)致周圍環(huán)境溫度持續(xù)升高而不能有效控制，將會(huì)導(dǎo)致所有電子元器件故障率增高，整機(jī)壽命減少，系統(tǒng)可靠性無(wú)法得到保障。

有關(guān)熱設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文做一簡(jiǎn)單的介紹，希望對(duì)我們工作有所幫助。

一、為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)

高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響：絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落。

二、熱設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題

電子設(shè)備的有效輸出功率比所需的輸入功率小得多，而這部分多余的功率則轉(zhuǎn)化為熱而耗散掉。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備日趨小型化，使得設(shè)備的體積功率密度大大增加。需提供一條低熱阻通路，保證熱量順利傳遞出去。

三、熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)

1，熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備可靠性的要求； 2，熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境的要求； 3，熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制要求； 4，降低成本。 四、熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題 太陽(yáng)輻射，灰塵、纖維微粒，壽命周期費(fèi)用，熱瞬變，維修性，水氣的冷凝，冷卻劑等。 五、傳熱的基本原理 凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。 熱量傳遞的兩個(gè)基本規(guī)律是： a，熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū)； b，高溫區(qū)發(fā)出的熱量必定等于低溫區(qū)吸收的熱量。 熱量的傳遞過(guò)程可區(qū)分為穩(wěn)定過(guò)程和不穩(wěn)定過(guò)程兩大類： a，凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化的熱傳遞過(guò)程稱為穩(wěn)定熱傳遞過(guò)程； b，反之則稱為不穩(wěn)定過(guò)程。

六、傳熱的基本方式

導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射。它們可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時(shí)出現(xiàn)。

七、導(dǎo)熱機(jī)理

氣體導(dǎo)熱是由氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。金屬導(dǎo)體中的導(dǎo)熱主要靠自由電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成；非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的；液體中的導(dǎo)熱機(jī)理主要靠彈性波的作用。

八、熱設(shè)計(jì)三個(gè)常用措施：降耗、導(dǎo)熱、布局

降耗是不讓熱量產(chǎn)生；導(dǎo)熱是把熱量導(dǎo)走不產(chǎn)生影響；布局是熱也沒(méi)散掉但通過(guò)措施隔離熱敏感器件；有點(diǎn)類似于電磁兼容方面針對(duì)發(fā)射源、傳播路徑、敏感設(shè)備的三個(gè)措施。

降耗是最原始最根本的解決方式，降額和低功耗的設(shè)計(jì)方案是兩個(gè)主要途徑，低功耗的方案需要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不予贅述。器件選型時(shí)盡量選用發(fā)熱小的元器件，如片狀電阻、線繞電阻(少用碳膜電阻)；獨(dú)石電容、鉭電容(少用紙介電容)；MOS、CMOS電路(少用鍺管)；指示燈采用發(fā)光二極管或液晶屏(少用白熾燈)，表面安裝器件等。除了選擇低功耗器件外，對(duì)一些溫度敏感的特型元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償與控制也是解決問(wèn)題的辦法之一，尤其是放大電路的電容電阻等定量測(cè)量關(guān)鍵器件。

降額是最需要考慮的降耗方式，假設(shè)一根細(xì)導(dǎo)線，標(biāo)稱能通過(guò)10A的電流，電流在其上產(chǎn)生的熱量就較多，把導(dǎo)線加粗，增大余量，標(biāo)稱通過(guò)20A的電流，則同樣都是通過(guò)10A電流時(shí)，因?yàn)閮?nèi)阻產(chǎn)生的熱損耗就會(huì)減小，熱量就小。而且因?yàn)榻殿~，在環(huán)境溫度升高時(shí)，器件性能下降情況下，但因?yàn)橛杏嗔?，即使性能下降，也能滿足要求，這是降額對(duì)于增強(qiáng)可靠性的另一個(gè)作用。

導(dǎo)熱的設(shè)計(jì)規(guī)范比較多，比較常見(jiàn)的有： 1. 進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的通風(fēng)路徑須經(jīng)過(guò)整個(gè)散熱通道，一般進(jìn)風(fēng)口在機(jī)箱下側(cè)方角上，出風(fēng)口在機(jī)箱上方與其最遠(yuǎn)離的對(duì)稱角上；

2. 避免將通風(fēng)孔及排風(fēng)孔開(kāi)在機(jī)箱頂部朝上或面板上；

3. 為防止氣流回流，進(jìn)口風(fēng)道的橫截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積之和；

4. 對(duì)靠近熱源的熱敏元件，采用物理隔離法或絕熱法進(jìn)行熱屏蔽。熱屏蔽材料有：石棉板、硅橡膠、泡沫塑料、環(huán)氧玻璃纖維板，也可用金屬板和澆滲金屬膜的陶瓷；

5. 將散熱>1w的零件安裝在機(jī)座上，利用底板做為該器件的散熱器，前提是機(jī)座為金屬導(dǎo)熱材料；

6. 熱管安裝在熱源上方且管與水平面夾角須>30度；

7. PCB用多層板結(jié)構(gòu)（對(duì)EMC也有非常非常大的好處），使電源線或地線在電路板的最上層或最下層；

8. 熱源器件專門設(shè)計(jì)在一個(gè)印制板上，并密封、隔離、接地和進(jìn)行散熱處理；

9. 散熱裝置(熱槽、散熱片、風(fēng)扇)用措施減少熱阻： (1)擴(kuò)大輻射面積，提高發(fā)熱體黑度； (2)提高接觸表面的加工精度，加大接觸壓力或墊入軟的可展性導(dǎo)熱材料； (3)散熱器葉片要垂直印制板； (4)大熱源器件散熱裝置直接裝在機(jī)殼上； 10. 密封電子設(shè)備內(nèi)外均涂黑漆可輔助散熱；為避免輻射熱影響熱敏器件、熱源屏蔽罩內(nèi)面的輻射能力要強(qiáng)（涂黑），外面光滑（不影響熱敏器件），通過(guò)熱傳導(dǎo)散熱。 11. 密封電子設(shè)備機(jī)殼內(nèi)外有肋片，以增大對(duì)流和輻射面積。 12. 不重復(fù)使用冷卻空氣； 13. 為了提高主要發(fā)熱元件的換熱效率、可將元件裝入與其外形相似的風(fēng)道內(nèi)。 14. 被散熱器件與散熱器之間充填導(dǎo)熱膏(脂)，以減小接觸熱阻； 15. 被散熱器件與散熱器之間要有良好的接觸，接觸表面光滑、平整，接觸面粗糙度Ra≤6.3μm；

16. 輻射是真空中傳熱的唯一方法，1確保熱源具有高的輻射系數(shù)，如果處于嵌埋狀態(tài)，利用金屬傳熱器傳至冷卻裝置上；2增加輻射黑度ε；3增加輻射面積s；4輻射體對(duì)于吸收體要有良好的視角，即角系數(shù)φ要大；5不希望吸收熱量的零部件，壁光滑易于反射熱。 17. 機(jī)殼表面溫度不高于環(huán)境溫度10℃。

… …

布局設(shè)計(jì)常采取的方法： 1.元器件布局減小熱阻的措施： (1)元器件安裝在最佳自然散熱的位置上； (2)元器件熱流通道要短、橫截面要大和通道中無(wú)絕熱或隔熱物； (3)發(fā)熱元件分散安裝； (4)元器件在印制板上豎立排放。 2.元器件排放減少熱影響： (1)有通風(fēng)口的機(jī)箱內(nèi)部，電路安裝應(yīng)服從空氣流動(dòng)方向：進(jìn)風(fēng)口→放大電路→邏輯電路→敏感電路→集成電路→小功率電阻電路→有發(fā)熱元件電路→出風(fēng)口，構(gòu)成良好散熱通道； (2)發(fā)熱元器件要在機(jī)箱上方，熱敏感元器件在機(jī)箱下方，利用機(jī)箱金屬殼體作散熱裝置。 3.合理布局準(zhǔn)則： (1)將發(fā)熱量大的元件安裝在條件好的地方，如靠近通風(fēng)孔； (2)將熱敏元件安裝在熱源下面。零件安裝方向橫向面與風(fēng)向平行，利于熱對(duì)流。 (3)在自然對(duì)流中，熱流通道盡可能短，橫截面積應(yīng)盡量大； (4)冷卻氣流流速不大時(shí)，元件按叉排方式排列，提高氣流紊流程度、增加散熱效果； (5)發(fā)熱元件不安裝在機(jī)殼上時(shí)，與機(jī)殼之間的距離應(yīng)>35—1000px 4.冷卻內(nèi)部部件的空氣進(jìn)口須加過(guò)濾裝置，且不必拆開(kāi)機(jī)殼即可更換或清洗。 5.設(shè)計(jì)上避免器件工作熱環(huán)境的穩(wěn)定性，以減輕熱循環(huán)與沖擊而引起的溫度應(yīng)力變化。溫度變化率不超過(guò)1℃/min，溫度變化范圍不超過(guò)20℃，此指標(biāo)要求可根據(jù)產(chǎn)品不同由廠家自行調(diào)整。 6.元器件的冷卻劑及冷卻方法應(yīng)與所選冷卻系統(tǒng)及元件相適應(yīng)，不會(huì)因此產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電解腐蝕。 7.冷卻系統(tǒng)的電功率一般為所需冷卻熱功率的3%一6%； 8.冷卻時(shí)，氣流中含有水分，溫差過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生凝露或附著，防止水份及其它污染物等導(dǎo)致電氣短路、電氣間隙減小或發(fā)生腐蝕。

措施： 1).冷卻前后溫差不要過(guò)大； 2).溫差過(guò)大會(huì)產(chǎn)生凝露的部位，水分不會(huì)造成堵塞或積水，如果有積水，積水部位的材料不會(huì)發(fā)生腐蝕； 3).對(duì)裸露的導(dǎo)電金屬加熱縮套管或其他遮擋絕緣措施。

編輯：黃飛