6 产品的热测试
6.1 进行产品热测试的目的
6.1.1热设计方案优化
对不同的方案进行比较，确定较优的散热设计方案。
6.1.2热设计验证
检验热设计的合理性与有效性，验证产品的有关热设计指标是否满足产品的热设计验证判定标准。
6.2热测试的种类及所用的仪器、设备
6.2.1温度测试
6.2.1.1温度测试的项目
设备内部环境温度
机箱表面温升（自然对流换热时测量）
关键元器件和发热元器件的表面温升
散热器和冷板的热点温升
冷却空气入口温度与出口温升
6.2.1.2 温度测量仪器类型
温度测量仪器包括热电偶、玻璃温度计、示温漆和示温蜡、电阻温度计、热敏电阻、光学温度计、红外扫描系统等。
6.2.1.3 热电偶
6.2.1.3.1 热电偶的选择
热电偶的种类较多，就通信设备来讲，由于我们设备的温度一般低于200℃以下，在该范围内铜-康铜或镍铬-铐铜热电偶具有较高的精度，为K型热电偶， 其分度值应符合GB 2903和GB 4993的规定。热电偶的测试精度为±0.1℃。
6.2.1.3.2 热电偶的焊接方法
通常采用熔焊的方法把铜-康铜或镍铬-铐铜焊接在一起， 不允许采用把铜-康铜丝直接铰在一起的方法。
6.2.1.3.3 热电偶的粘接方法及减小测量误差的措施
热电偶采用导热胶粘接粘贴在被测表面，为了保证测试结果的精度， 热电偶探头固定在测温表面上时，必须将一段热电偶导线沿测温面的等温线 布置，这样可以消除热电偶导线本身导热而导致的测量误差。导线长度应大于10mm，如图10所示
图10 热电偶与被测表面的接触形式
6.2.1.3.4 与热电偶配套的检测仪表
热电偶的温度检测通常采用多路采集器，如FLUKE公司的Hydra logger 及日本恒河公司的DR230系列等。测试精度为±0.1℃。
6.2.1.4玻璃温度计
玻璃液体温度计通常用来测量流体温度和校准其它的测温仪器如热电偶等。玻璃温度计的精度可以达到±0.01℃。
6.2.1.5 示温漆与示温蜡
示温漆是一种随温度变化而变化的漆，漆的颜色变化达四种之多，不同的颜色代表不同的温度。示温漆还可以用于显示某个区域的温度场及热流模式。
示温蜡是在特定的温度下熔化的蜡状物质，从而显示出温度。
示温漆与示温蜡的精度较差，一般在±5℃(±9℉)
6.2.1.6 电阻温度计
电阻温度计与热电偶的原理及用途相似，两者均因辐射影响而产生误差。其精度为±0.1℃。
6.2.1.7 热敏电阻
热敏电阻遵循电阻测温学的原理，由于它的温度系数很大，所以灵敏度高得多，其缺点是容易老化，需进行定期校准，其测试精度为±0.1℃。
6.2.1.8 光学温度计、红外扫描系统等。
光学温度计、红外扫描系统均通过测量一个热源的红外辐射而得到温度。其测试精度最高可以达到±0.3℃。由于测量时必须准确知道被测表面的发射率且要求被测表面必须可见，限制了它们的使用。
7 附录
7.1 元器件的功耗计算方法
根据实际使用工况，诸如工作电流，导通压降等以及元器件的其它电气参数计算元器件实际的功耗大小。元器件的种类不同，其功耗计方法也不一样，具体计算方法如下：
7.1.1电阻
电阻的发热量由下式算得
P=I2R
或P=U2/R....………………(13)
I--流过电流值(A); R--电阻值(Ω)
U--电阻两端的电压(V)
7.1.2 变压器
变压器的包括铜损和铁损两部分
Pb= Pw+ Pc...………………....(14)
铜损按下式计算：
Pw =2³Ip³Np³Lp³Rz [2] . .(14a)
Ip-原边有效电流， A
Np-原边绕组的匝数，匝
Lp-每圈的平均长度，cm
Rz-导线的阻抗，Ω/cm
铁损按下式计算：
Pc=Pv³Ve[2]..…………....(14b)
Pv-单位体积的铁损，w/cm3
Ve-铁芯体积，cm3
变压器的温升按下式计算：
Δt=850Pb/As ....………(14c)
Pb-变压器的总损耗，w
As-变压器的表面积，cm2
7.1.3 功率器件耗散功率计算
7.1.3.1 双极型晶体管(IGBT)
IGBT的功耗损耗主要由通态损耗(饱和损耗或稳定损耗)及开关损耗两部分，分别按下式计算：
通态损耗(饱和损耗或稳定损耗)：
Pc=UCEIcδ[3]...………(15a)
开关损耗：
Ps=(1/2)UCEOIc(ton+toff)fs
= (Eon+Eoff)fs[3]..……....(15b)
总损耗：Pd=Pc+Ps ....……(15)
式中： UCE--通态集电极一发射极电压(V)，给定值
UCEo--断态集电极一发射极电压(V)，给定值
Ic--通态电流(A)，给定值
δ--占空比，给定值
Eon,Eoff--开关能量(焦耳)，从器件数据手册中查出。
fs--开关频率，给定值
7.1.3.2 功率MOSFET
MOSFET的损耗包括开关损耗和通态损耗两部分
通态功耗： Pd=IDS2RDS(ON)[3]……………………..(16a)
IDS--漏极电流，A,给定值
RDS(ON)-MOSFET在工作结温下的通态热阻，可按直接下式计算，也可以从器件数据手册中查。
RDS(ON)(Tj)=Ro[1+α(Tj-25o)], Ω, 通态电阻
Ro--25℃时额定值，给定值
α--温度系数，一般为：0.01
开关损耗：
开通时损耗： PON=IceoVcetofff[2]...………………....(16b)
开通过程损耗：Pr=IcVDStrf/6 = Ic2tr tr'f/6Crss [2]………………(16c)
关断时损耗 Poff=IcVcestonf[2………………….(16d) 关断过程损耗：Pf=IcVDStff/6＝Ic2tf
tf'f/6Coss [2]...………….(16e)
式中：Iceo－集电极与发射级间的穿透电流，A Ic--集电极电流，A
Vce－集电极与发射极间的电压，V
Vceo-饱和压降，V
ton，toff-开通及关断时间，ns
tr,, tf-Vce的上升及下降时间，ns
tr', tf'-驱动波形上升或下降时间，ns
Crss, Coss 朚OSFET 的输入与输出电容
MOSFET的总损耗为：
Ptotal=Pd+Pon+Poff+Pr+Pf.... .……………….. ....(16)
7.1.3.3 DC-DC开关变换器输出整流用功率二极管
功率二极管的损耗包括通态损耗及开关损耗两部分
通态损耗：Pd=VFIF.D[5]. .…………..(17a)
式中：VF－正向导通压降，V
IF.- 正向平均电流，A
D－占空比
开通损耗：Pon=IFVFRMtrrD f /1000[5]...………....(17b)
VRFM－正向恢复电压，V
trr-反向恢复时间，ns
f-工作频率，KHZ
关断损耗：Poff=IRMKfVRtrrD f/2000[5]…………….………(17c)
IRM 朹反向漏电流，A
Kf-比例系数
VR-稳态反向电压，V
总功耗＝d+Pon+Poff.…………….(17)
7.2 散热器的设计计算方法
根据给定的结构尺寸，遵照散热器的设计原则初步设计出一种散热器，在按以下步骤进行校核计算。
6.2.1散热器的热阻
散热器的热阻是从大的方面包括三个部分。
RSA=R对+R导+ R辐....…………………....(18)
R对=1/（αF1）.…………………(19)
F1--对流换热面积(m)
α--对流换热系数,按下表计算
△T--散热片与环境温度之差
L-- 高(m)
R导＝R 基板＋R肋导
＝δ/(λF2)+（(1/η)-1）R对流....(20)
λ--导热系数，w/m.h.℃
δ-- 散热器基板厚度(m)
F2--基板的导热面积(m)
F2=0.785*(d+δ)2
d- 发热器件的当量直径（m)
η-- 肋效率系数
对直齿肋：
η=th(mb)/(mb)
m=(2α/λδ0)
α：对流换热系数(w/m2.K)
λ.导热系数(W/m.K)
δ0：肋片根部厚度(m)
b. 肋高(m)
RSA＝δ/(λF2)＋1/(αF1η)..(21)
比较Rsa ≤[Rsa],如不满足，重新进行设计散热器形状，重复上面的步骤进行设计，直到符合要求为止。
7.3自然冷却产品热设计检查模板
7.3.1 元器件的选择、排列与安装时的热设计
是否了解元器件的热阻及极限结温？
是否了解元器件的安装力矩及接触热阻？
是否分清了热敏感元器件？
是否分清了发热量大的元器件？
热敏感元器件与发热量大的元器件排列安装是否合适？
发热量大的元器件是否采用了散热器进行冷却？
散热器选用是否合适？设计是否合理？是否考虑了表面发黑？
发热元器件的引线应尽量短，印制线应加宽。
接近发热元器件的树脂、线材等的耐热是否充分？
由于热引起的尺寸变化是否作了考虑？
元器件的排列是否考虑了烟囱效应？
元器件的安装方向是否最优？
7.3.2 PCB板的排列、安装时的热设计
PCB板的排列是否考虑了热？（发热量大的PCB不能紧挨排列）
PCB板是否垂直安装？排列的距离是否合适？
PCB板的位置是否阻塞风道？
是否积极利用了烟囱效应？
7.3.3 模块机箱的热设计
机箱的设计是否考虑了热？选材利于散热吗？
机箱的上下面是否开有通风口？
通风口大小是否合适？
机箱内的流路是否通畅？
散热器的安装位置是否符合烟囱效应？
6.3.4 机柜的热设计
机柜的选材是否有利于散热？
机柜是否开有通风口？
通风口的大小合适吗？
是否考虑了模块间的热影响？
机柜的风路结构是否合理？(机柜带风道还是不带风道？)
是否充分利用了烟囱效应？
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热设计规范下载: 艾默生热设计规范.pdf
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