电子产品的散热设计
Heat-dissipating Design of Electronic Products
摘 要: 随着电子产品的复杂性提高，产品的发热也随之上升。对于现在的产品设计而言散热已经成为一个挑战，这是每个设计人员都必须面对的问题。本文就热设计做以介绍。
关键词: 热设计、风扇、噪音、温度测量
中图分类号: TN306 文献标识码: B 文章编号: 1003-0107(2004)11-0046-03
Abstract: With the Electronic product power increase, the product surface temperature also increase. It have became a challenge for the designer, all of them must face it. This subject will introduce the thermal design.
Key words: Thermal design, FAN, acoustic, temperature measure
CLC number: TN306 Document code: B Article ID: 1003-0107(2004)11-0046-03
引言
随着电子产品的发热量越来越大，对于散热就有了更大的挑战。我们也从不需要散热解决方案，到需要被动散热解决方案，直至到现在的主动散热解决方案。但是就便如此我们在使用主动散热的时候还是存在着很多的困难，所以的这些都需要我们对热设计进行更深入的研究，从而解决我们在产品设计中面临的应用问题。下面就和大家一起讨论热设计。
春夏秋冬，我们生活的这个世界就是一个温度交替变化的世界，根据环境温度的不同，我们需要改变我们的衣服来保持体温在某个范围。但是电子产品则不通，他们只能被动适应环境温度。但是电子产品又必须能够适应某个温度范围，为此我们就需要来为一些温度过高的芯片或者温度过高的表面来散热。
一. 热设计的一般准则
热设计的一般准则有如下一些：
A.在布局设计时，各个元件之间和元件与芯片之间，应尽可能保留空间以利于通风和散热。
温度规格低的元件勿靠近温度规格高的元件。
B.预估有散热问题的ICs和元件，应保留足够的放置改善方案的空间。例如:ICs 的周围不要有比其高的零件，以利于将来放置金属散热片来散热。
C.发热量大的元件（如CPU）和散热模组，应尽量靠近PCB的边缘，以降低热阻。
D . 散热模组和C P U 之间的介质（TIM: thermal interface material）对模组效率有很大的影响，应选择热阻低的材料，甚至采用相变材料。
E.散热模组和散热元件的接触压力，在规格容许之下应尽可能大，并确认两接触面接合完整，平整和均匀。
F.散热模组中的本体部分不宜过小，并尽量加大和热管接触的面积，以利发热芯片的热可以传导至散热模组。
G.散热模组中作为热交换的鳍片，往和风流动垂直的方向加大，比往平行的方向上加大有效。
H. H/P 在压扁和弯曲的使用上，有其限制应留意。
I.整体之流道设计，应避免产生回流之现象，以减低风阻和噪音。
J.模组的出口和系统的出风口之间的空隙，应制作封闭的流道，以免热风倒流回系统中。
K.散热通风设计大的开孔率，以大的长条孔替代小圆孔或綱目，以降低风阻和噪音。
L.风扇的入风孔形状和大小，以及舌部和渐开线之设计，应特别留意。
风扇入风孔外应保留3~5mm 之内皆无阻碍。
二. 热设计解决措施
1、热设计基本知识散热的解决方案：
A、被动散热
如果使用被动散热，那么散热片应该足够大以利于散热。
散热片的温差应该尽可能小，否则对散热性能有很大影响
B、主动散热
空气的进气道和出气道一定要明确定义，如果必要可以用物体来进行隔离。
空气所通过散热部位的长度要尽量短，以保证空气的气压和流速不会降低太多。
尽量降低风扇的噪音。
设计时必须能够导出部分从散热器通过的热空气。
C、综合散热
散热器进行热交换散热设计的主要因素：
散热器、热管、风扇、散热界面材料、各组件间的组合I C a n d C o m p o n e n t
2、风扇的选择：
风扇的结构：
转子:由磁铁、扇叶及轴组成定子:有硅钢片、线圈及轴承组成控制电路:由IC 感应磁铁N.S.极经由电路控制其线圈导通而产生内部激磁使转子旋转。
原理:
类型:轴流风扇、直流风扇选择:
总体散热需求
Q=Cp*m* Δ T = ρ *Cp*CFM* Δ T
系统总体阻力和系统特性曲线系统的工作点
并联风扇和串联风扇:
并联风扇: 并联的双风扇风压不变，但是风量会上升。风量加大故散热效果增加，在设计中如果出现散热功率太小则可以考虑增加风扇来解决。
串联风扇:串联风扇的结果是风压增加，但是风量不变。次方式是不能解决散热问题，一般是用在近风的阻力太大是采用，保证风量。
噪音等级
为了获得低噪音必须注意以下几点:
系统阻抗:空气流动阻力会引起空气的流动噪音产生。
气流的紊流:由于流道的设计不良造成空气的紊流会有高频噪音出现，如果流道不改善很难有质的提高。
风扇的转速和尺寸:风扇的转速越快散热效果越好，风扇的尺寸越大风量越大，散热效果越好。风扇的转速越高噪音越大，尺寸越大噪音越大。
温度的上升: 温度上升后温差降低，则散热效果降低。
振动: 振动会造成风扇的噪音上升，寿命降低以及转速降低。
电压波动:电压波动会造成风扇转速变化，使工作不稳定并且会产生额外的噪音。设计考虑:设计上的其它一些要求同样也必须考虑进去，以保证散热效果。
风扇：
1、风扇入风的距离：3～5mm的距离是必须的
3mm ——风扇的效能为80%
4mm ——风扇的效能为90%
5mm ——风扇的效能为100%
2、不同的进风口和出风口会引起气流阻力的很大变化，当然出入口的开口越大越好。
3、不要在风扇的进风口附近放置阻隔物体（例如芯片和接口等），否则会减少风扇的空气流量。
4、最好使用橡胶来固定风扇，而不是金属螺丝，这样可以避免振动。
5、风扇的空间设计
为了风扇的效率、噪音，必须保证扇叶和风扇外壳的距离为5～10mm。
W 的距离在可能的情况下越大越好，以保证足够的效率。
风扇的扇叶必须靠近Tongue 以获得比较好的效率。
三.热设计
制作电子电路时，热量是影响所有类型元器件的一个重要因素。为了避免过热引起的元器件损坏，必须对热量设计多加注意。商用半导体器件的结温极限约为150oC。工作期间结温越低，器件的可靠性就越高。可以通过使用散热片、热管和散热风扇并在外壳上提供通风孔来保持器件工作在较低的结温。同样的方法也适用于电容、变压器、线圈、电阻、继电器和其它元器件。
设备工作时的环境温度对元器件的热应力有直接影响。环境温度较高时，情况会恶化，因此设计时必须考虑到元器件最终使用时的环境温度，实践证明温度会加速大多数半导体器件产生故障，大多数故障产生机制都与温度有关，例如温度上升10 度则寿命会减少一半，鉴于此我们设计时需特别注意器件最后实际工作温度。某些器件过热的共同原因是EOS和ESD。过热必然导致器件的损坏，如烧焦、熔化、塑料封装物的碳化等，为了避免这种损坏，器件必须在SOA内工作，并在设计上保证有足够的防止ESD、EMI和过热的保护措施。
在产品开发周期的初始设计阶段就应重视热量问题，此时控制热量的成本最低。元器件的选择应能满足应用要求和工作温度条件;采用筛选测试结果在耐热方面具有良好特性的元器件; 对元器件参数进行足够的减载运行;使得元器件不会在技术参数的极限值附近被损坏;确保用户即使在最差的环境条件下，器件的结温也不会超出极限值;必要时提供足够的散热装置以保持器件温度较低，并应在散热装置和发热器件周围保持通风;在必须连续工作的大功率设备中采用强制风冷;将半导体器件的结温限制在125℃左右;热量设计的目的是以最小的代价获取最佳的制冷效果。
通常采用如下几种方法避免过热问题：
1. 热敏感元器件（如半导体器件等）远离热源（大功率电阻、大功率晶体管等）。
2.保证良好的通风散热，如安装性能良好的散热片，设置通风孔，必要时采用强制风冷，确保器件在其SOA范围内工作，器件结温在极限范围之内等。
3.对器件热性能指标减载运行，
通常80% 的减载对降低结温和减少功耗较好。
4.用软件对设计的电路板进行热量仿真等。
四. 实际范例：
下面来以一实际设计中一个散热模组在进行初期设计计算。芯片的发热最大值为25W，芯片上方的散热片热阻为1.0℃/W，芯片的核心极限温度为105℃，热管的热阻为0.14℃/W，散热歧片的热阻为1.1℃/W。确定空气的进气与出气的温度差为应该为多少合适？
由以上可知：
P=25W℃
Tj=105℃
Θ pipe=0.14
Θ pad =1.0
Θ fin =1.1
Tsys = ?
Θ j = (Tj-35-Tsys) / PT
sys = P* Θ +35-TjΘ = Θ pipe + Θ pad + Θ fin= 0.14 + 1.0 + 1.1= 2.24
Tsys = 105 - 25 * 2.24 - 35= 14
经过计算得出空气的进气与出气温度差必须在14℃以内，否则热量将面临散不出去的情况。对次则要重点考虑风扇的风量，在可能的情况下加大风量来尽量降低温度差。
五、热设计的检验：
温升测试对于热设计我们必须在后续的工作中来实际验证，以确定各芯片的工作温度都在正常范围以内。
一般都是选取发热量比较大的芯片和元器件来测试它的最大负荷的工作温度，也就是看长时间满载时的工作温度状况。在测试前由设计人员确定发热量大的芯片和元器件，另外对于芯片的最高温度点同样要求提供（最高温度点
可以用红外线热成相仪来确定，如下图所示为一红外线热成相图）。
温度测量使用热偶线，线长一般是选2米左右，把线头的连接点放置于所要测量点的位置，并用胶带固定（胶带必须是耐高温且高黏性的，以确保高温不脱离和温度测量数据的准确性。）;线材注意不能折，否则会影响测试精度;
结束语
一个成熟的热设计可以为我们带来一个可靠的产品，同时也为我们的使用创造舒适性。希望本文可以给大家的设计提供一些建议。
参考文献
[1]. 《传热学》 美 J.P. 霍尔曼
[2]. 《温度测量》 英 T.J. 奎恩
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