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电子设备的整机结构热设计探讨

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0引言

现代电子设备对于性能指标、可靠性、功率密度等要求不断提高。因此,电子设备的热设计越来越重要。在电子设备设计过程中,功率器件尤为重要,其工作状态会对整机可靠性造成影响。由于大功率器件发热量不断增加,通过封装外壳散热已经无法满足散热需求,需要对散热和冷却的方法进行合理选择从而实现有效散热,使电子元器件温度控制在规定值以下,在热源到外部环境之间实现导热通道,从而保证热量能够顺利导出。

1PCB板的设计

线路设计人员要对PCB进行优化设计,优先使用耐高温性能良好的工业级以上器件,重点考虑元器件合理布局,利于散热。一般在中心设置热损耗小器件,在外围布设热损耗比较大的器件,优先使用双列直插器件。

根据温控指标确定印制板导线宽度和铜箔层厚度,从而使散热与导热能力得到提高,在印刷版与元器件中间设置铜导热条,安装的过程中使用导热条实现全部发热器件的跨接,利用导热条传递元器件的能量。芯片充填导热硅脂,从而使空气间隙得到消除,降低接触热阻。然后,根据散热方式占比、导热宽度、元器件大小、密集度等实现印刷版最佳尺寸的确定。

由于电子设备依靠对流和辐射散热比较困难,主要通过传导才能够实现散热。为缩短传导路径,实现合理布局,设计过程中需将发热器件安装到机壳中。通过插座实现PCB的连接,以此使连接电缆得到降低,方便气流流通,实现最小热阻、最短散热路径的设置,避免箱内出现循环热量。

提高机箱对外传热能力,对箱体导热进行氧化热处理,将有机涂料进行涂抹能够进一步的提高辐射散热。另外,实现机箱壁翅板散热形状加工,从而使机箱整体散热面积得到提高。为了能够更好地防潮湿、防霉菌,可将防水导热材料填充到搭接面中。

使用时在机壳底板中设置电源模板,利用机壳底板实现上电,在上方安装开孔金属散热器板,使机箱壁接触面积得到提高。另外,为芯片1145110设置铜质导热板,8245芯片中设置铝材散热板,提供低热阻通路。导热板表面使用厚度为1mm的导热垫进行导热,通过连接螺钉紧固力产生接触压力。

2导热板的设计

使用大热传导系数的紫铜板,芯片管脚处发热比较大,使用排列整齐的双列直插器件,能够使器件管脚穿过导热板,器件底板和绝缘膜导热板表面紧贴。

部分器件为TGAPLCC封装方式,四面管脚。比如主要散热原件为CPU,要使用有效散热措施。此时能够在导热板中开方孔让出器件,在器件顶面压一块小导热板,使热量导向PCB导热板。为了使小导热板和器件、PCB导热板良好接触,使导热效率得到提高,在接触面中涂抹绝缘导热脂或者垫绝缘导热橡胶板,从而使器件端和PCB导热板紧密接触。为了使另外一端导热板和机箱壁紧密接触,PCB导热板和机箱壁连接使用楔形压紧结构。此结构方式能够在散热器集中、热耗散功率比较大PCB板中使用。

设备中设置电源模块,在箱壁没有导轨槽、开孔等结构平面处,充分使用机箱壁,使电源模块和箱壁紧贴安装,从而增大导热面积,降低中间导热环节,降低热阻,并且使散热效率得到提高,充分使用空间,压缩机箱体积。

3散热器的设计

在设计散热器过程中,要对电子设备结构风压、成本、加工工艺、散热效率等条件全面考虑。散热器助片要求薄,但是会导致在加工过程中出现问题。肋间间距缩小,会增加散热面积,但会造成风阻增加,对散热造成影响。增加肋片高度能够增加散热面积,以此使散热量增大。但是针对等截面直肋,增加肋片高度到一定程度之后,传热量就不会增加,如果肋高继续增加,会降低肋片效率,使风阻增加。

充分考虑以上原则,本文利用铝板散热器,翅片长度设置为300mm。因为功放模块是主要发热模块,其他可以忽略,主要考虑设置功放散热器的肋高。通过Icepak软件trials功能设置肋高、肋片间肌、厚度,之后设置变量值,Icepak对肋间距、厚度、肋高计算不同值时候的模型求解结果,功放模块肋高设计为50mm,肋厚设计为6mm,其他模块肋高设计为20mm的时候结构最优。最后,为了降低散热器与功放模块的接触热阻,需要保证接触面加工精度,并在接触面中涂抹导热硅脂。

4风机的选择

为将散热器热量带走,设计选用风机。利用风机在设备外排风,将所有发热量带走,热平衡方程表示为:

1.png

公式中的Q指的是设备发热量,L指的是冷却空气热量,Cp指的是空气比热,p指的是空气密度,△t指的是冷却空气出口与入口的温升。

设备空气密度为1.13kg/m3,总发热量为0.7kW,设置空气比热1.009kJ/(kg·℃),温升设置10℃。在热平衡方程中代入上述值的结果为0.0614m3/s。上述计算风量的公式指的是热量带走风量,因为设备具有较大的功放模块与电源模块,风量也比较大。3个并联风机能够对设备进行抽风冷却,最大风量与最大静压分别为0.052m3/s61.28N/m2。因为存在风阻,导致风机无法在最大风量中工作,风机工作点要比最大风量小。根据强迫风冷的设计经验,提高风机工作效率能够增强散热效果。

5结语

在实现电子元器件和设备结构热设计的过程中,要对电气元器件和设备传热方式进行分析,对电气元器件热环境等因素进行考虑。基于此设计相关参数,最终使用合适方法实现热设计。经过仿真验证,此设备工作性能稳定,能够满足用户对于设备高可靠性的要求。

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