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，其功耗计算方法也不一样，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...................(16)

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...................................(17)

铜损按下式计算：

Pw =2³Ip³Np³Lp³Rz [2] .......... ...... ......(17a)

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]..........................(17b)

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 [2]..................................(17c)

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]...........................(18a)

开关损耗：

Ps=(1/2)UCEOIc(ton+toff)fs

= (Eon+Eoff)fs[3].....................(18b)

总损耗：Pd=Pc+Ps .....................(18)

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]...................(19a)

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]........................(19b)

开通过程损耗：Pr=IcVDStrf/6 = Ic2tr tr'f/6Crss [2]………………(19c)

关断时损耗 Poff=IcVcestonf[2.......................(19d) 关断过程损耗：Pf=IcVDStff/6＝Ic2tf tf'f/6Coss [2].........(19e)

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......... ....................(19)

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]...... .......................(20a)

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]..................(20b)

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]…………….…………(20c)

IRM 朹反向漏电流，A

Kf-比例系数 resheji.com cliffcrag整理,一切资料来源于网络.

VR-稳态反向电压，V

总功耗＝d+Pon+Poff..................................(20)

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hellip;.........(21)

R对=1/（αF1）...................(21a)

F1--对流换热面积(m)

α--对流换热系数,按下式计算

自然对流： 层流 α＝1.42(△t/L)0.25

湍流 α＝1.31(△t)0.25

强迫风冷 层流 α＝0.66Ref 0.5

湍流 α＝0.032Ref 0.8

R辐--辐射换热热阻 ，可忽略不计

R导＝R 基板＋R肋导

＝δ/(λF2)+（(1/η)-1）R对流....…..............(21b)

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)

δ0：肋片根部厚度(m)

b. 肋高(m)

RSA＝δ/(λF2)＋1/(αF1η)

7.2.2 散热器的流阻

散热器的流阻包括沿程阻力损失及局部阻力损失

△P＝hf+hj

=λf²L/d²V2/2g+ζV2/2g[5]...........................(22)

λf --沿程阻力系数

层流区：Re=Vd/υ≤2300 λf=64/Re

紊统光滑区 4000<Re<105 λf=0.3164/Re0.25

L--流向长度(m)

d--当量水利直径(m)

d=4A流通/湿周长

V--断面流速(m/s)

ζ--局面阻力系数

突然扩大：ζ＝(1-A2/A1)

突然缩小：ζ＝0.5(1-A1/A2)

A1.A2为进口及出口面积(m)

υ--运动粘度系数（m2/s），从文献[5]中查找

比较Rsa ≤[Rsa], △P≤[△P],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 冷板散热器的计算方法
7.3.1 冷板的换热方程

冷板的换热计算的方程式包括对流换热方程和能量平衡方程。

当安装于冷板上的电子元器件所耗散的热量通过导热、对流传给冷板时，换热关系时为：

Q放＝hA△tmη0............................(23)

其中：h-------对流换热系数，W/m2.℃

A-------参与对流的总面积，m2

△tm---对数平均温差，℃

η0-----冷板的总效率

空气通过冷板后所吸收的热量为：

Q吸＝qmCp(t2-t1)................................(24)

其中：qm--------空气的质量流量，kg/s

Cp--------空气的定压比热，J/kg .℃

t1,t2-------空气的进、出口温度，℃

当达到热平衡时，冷板放出的热量应等于空气吸收的热量

7.3.2 冷板的换热系数

冷板的换热系数与肋片的形状、结构形式、流量和空气的物理性质有关

h= JGCpPr2/3 ................................(25)

其中：J-----考尔本数，J=6/Re 0.98 (Re<1800,层流)

J=0.023/Re 0.2 (Re>105,湍流)

G------质量流速，Kg/(s.m2)

Pr------普朗特数。

7.3.3 冷板的总效率

η0＝1－Af(1-ηf)/A.............................(26)

其中：ηf-----肋片的效率

Ar-----肋片的面积，m2

A------冷板的总面积，A＝At+Ar＋Ab, m2

At-----盖板的面积，m2

7.3.4 冷板的设计计算

冷板的设计有两类问题，校核计算和设计计算，

7.3.4.1校核计算，已知冷板的结构类型、尺寸、冷却剂的流量和工作环境，要求校核冷板是否满足所要求的传热量以及克服流经冷板通道的压降；

(1)、已知参数：冷板的尺寸，肋片参数、空气流量、当量直径de(de=4χ/Afi)，通道面积Af，换热面积A，冷板散热器最高台面温度、风扇的流量及压头；

传热计算

(2)、确定空气流过冷板后的温升：

△t= Q/qmCp..............................(27)

(3)、确定定性温度

tf=(2ts+t1+t2)/4..............................(28)

冷板台面温度 ts为假定值

(4)、确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)，流体的质量流速和雷诺数

G=qm/Af ......................……...............(29) Re=deG/μ

(5)、根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流)，

Re<1800, 层流

Re>105, 湍流

(6)、根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J

Re<1800,层流 J=6/Re 0.98

Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2

也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12－18查得

(7)、计算冷板的换热系数

h= JGCpPr2/3

(8)、计算肋片的效率

m=(2h/λδ)0.5

ηf=th(ml)/ml（也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效率)

(9)、计算冷板的总效率

忽略盖板及底板的效率，总效率为： A＝At+Ar＋Ab

η0＝1－Ar(1-ηf)/A

(10)、计算传热单元数

NTU＝hη0A/qmCp .......................(30) (11)、计算冷板散热器的台面温度

ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1).....................(31)

流体流动阻力计算

(12)、计算流通面积与冷板横截面积之比

σ=Af/Ac....................…….........(32)

(13)、查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,σ)

根据雷诺数Re及σ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得

(14)、查空气流出冷板时出口的损失系数Ke=f(Re,σ)

根据雷诺数Re及σ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得

(15)、查摩擦系数f=f(Re,σ)

根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12－18查得

(16)、计算流动阻力

△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)...(26)

(17)、确定是否满足ts<[ts]，如不满足，需增大换热面积或增大空气流量。

确定是否满足△P<[△P]，如果不满足，需减小冷板的阻力(如选择阻力较小的齿形、增大齿解决等)或重新选择压头较大的风扇。

7.3.4.2 设计计算：已知功耗、冷却剂流量、压降和工作环境，要求设计一个满足要求的冷板装置(结构尺寸)

(1)、根据预设的冷板结构尺寸，选取肋片参数，肋片间距，单位长度通道面积Ac0，单位长度、单位宽度的换热面积Af0，初选风扇流量及压头。

传热计算

(2)、确定空气流过冷板后的温升：

△t= Q/qmCp

(3)、确定定性温度

tf=(2ts+t1+t2)/4

冷板台面温度 ts为假定值

(4)、设定冷板的宽度为b，则通道的横截面积为Ac

Ac=b³Ac0

(5)、确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)，流体的质量流速和雷诺数

G=qm/Af Re=deG/μ

(6)、根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流)，

Re<1800, 层流

Re>105, 湍流

(7)、根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J

Re<1800,层流 J=6/Re 0.98

Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2

也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12－18查得

(8)、计算冷板的换热系数

h= JGCpPr2/3

(9)、计算肋片的效率

m=(2h/λδ)0.5

ηf=th(ml)/ml（也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效率)

(10)、计算冷板的总效率

忽略盖板及底版的效率，总效率为： A＝At+Ar＋Ab

η0＝1－Ar(1-ηf)/A

(11)、计算传热有效度

ε=(t2-t1)/(ts-t1)............................(33)

(12)、计算传热单元数

NTU=㏑(1/(1-ε))...........................(34)

(13)、计算所需的传热面积

A＝qmCpNTU/hη0 (14)、计算冷板散热器的长度

D＝A/Af0b

流体流动阻力计算

(15)、计算流通面积与冷板横截面积之比

σ=Af/Ac

(16)、查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,σ)

根据雷诺数Re及σ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得

(17)、查空气流出冷板时出口的损失系数Ke=f(Re,σ)

根据雷诺数Re及σ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得

(18)、查摩擦系数f=f(Re,σ)

根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12－18查得

(19)、计算流动阻力

△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)

(20)、确定是否满足A<[A]，如果不满足，重新设定b、D值，重复进行上述计算，直到满足条件为止。

确定是否满足△P<[△P]，如果不满足，需减小冷板的阻力(如选择阻力较小的齿形、增大齿解决等)或重新选择压头较大的风扇。

7.4 强迫风冷产品热设计检查模板
7.4.1 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？易于生产吗？
 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？
 是否将发热量大的元器件放在出风口处，将热敏感元器件放在进风口处？
7.4.2 模块布局及结构的的热设计

 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？
 是否对气流进行了合理分配和控制,以使所有的元器件都得到好处？
 机箱的设计是否考虑了热？选材利于散热吗？
 机箱是否开有通风口？
 通风口大小是否合适？
 机箱内的流路是否通畅？
 风扇的风量及压头是否合适？
 风扇的种类是否合适？
 风扇能否耐住模块内的温升？
 风扇发生故障时，是否有保护措施？
 是采用抽风还是鼓风方式？
 对风扇的噪音是否进行了考虑？
 风扇更换是否方便？
7.4.3 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？
 是否充分利用了烟囱效应？ 

热设计规范下载:  艾默生热设计规范.pdf

 

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