电子产品热设计（一）

电子产品有效的功率输出要比电路工作所需输入的功率小得多。多余的功率大部分转化为热而耗散。当前电子产品大多追求缩小尺寸、增加元器件密度，这种情况导致了热量的集中，因此需要采用合理的热设计手段，进行有效的散热，以便产品在规定的温度极限内工作。热设计技术就是指利用热的传递条件，通过冷却措施控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在产品所在的工作条件下，以不超过规定的最高温度稳定工作的设计技术。

一、电子产品热设计的目的

电子产品在工作时会产生不同程度的热能，尤其是一些功耗较大的元器件，如变压器、大功率晶体管、电力电子器件、大规模集成电路、功率损耗大的电阻等，实际上它们是一个热源，会使产品的温度升高。在温度发生变化时，几乎所有的材料都会出现膨胀或收缩现象，这种膨胀或收缩会引起零件间的配合、密封及内部的应力问题。温度不均引起的局部应力集中是有害的，金属结构在加热或冷却循环作用下会产生应力，从而导致金属因疲劳而毁坏。另外，对于电子产品而言，元器件都有一定的工作温度范围，如果超过其温度极限，会引起电子产品工作状态的改变，缩短使用寿命，甚至损坏，导致电子产品不能稳定、可靠地工作。

电子产品热设计的主要目的就是通过合理的散热设计，降低产品的工作温度，控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在所处的工作环境温度下，以不超过规定的最高允许温度正常工作，避免高温导致故障，从而提高产品的可靠性。

二、电子产品散热系统简介

热传递的三种基本方式是传导、对流和辐射，对应的散热方式为：传导散热、对流散热和辐射散热。

典型的散热系统介绍如下：

（1）自然冷却系统

自然冷却系统是指电子产品所产生的热量通过传导、对流、辐射三种方式自然地散发到周围的空气中（环境温度略微升高），再通过空调等其他设备降低环境温度，达到散热的目的。此类散热系统的设计原则是：尽可能减少传递热阻，增加产品中的对流风道和换热面积，增大产品外表的辐射面积。自然冷却是最简单、最经济的冷却方法，但散热量不大，一般用于热流密度不大的产品中。

（2）强迫风冷散热系统

强迫风冷散热系统是指利用风机等设备将冷空气吹到产品表面或内部，从而快速带走热量的散热方式。强迫风冷按照风机的工作方式分为抽风冷却和吹风冷却。当设备热源分布均匀时采用抽风冷却，非均匀热源采用吹风冷却。根据产品发热量的大小，对所选的风机及风机的安排方式都有特别的要求（如气流的流量、压力、噪声等）。

按照空气流经发热元器件的方向，强迫风冷还可分为横向通风冷却、纵向通风冷却和纵出通风冷却。横向通风冷却就是冷空气通过静压风道再流向需散热的元器件或散热器，发生换热后，热空气从设备的另一侧排出。纵向通风冷却用于平行安装的印制板组装件等，空气换热后，热空气从产品的另一侧排出。纵出通风冷却多用于垂直安装的印制板组装件等，空气从下部进入产品，热空气从上部排出。

在设计冷却系统时，需合理布置各个发热元器件，发热少、耐温差的元器件排在气流的上游，然后按耐热性由低到高排列，这种冷却方式多用于发热量不大的设备。

自然冷却和强迫风冷都属于直接冷却方法，与间接冷却方法相比，该类冷却方法结构简单、设计简单、成本低，多用于热流密度较高的产品。

（3）气冷式冷板散热系统

气冷式冷板散热系统的冷却介质为空气，该系统一般由盖板、肋片、底板和封装组成。肋片是冷板的主要零件，也是组成扩散表面的基本部分，肋片材料一般为铝材或铜材，在机载产品中，由于质量要求较为严格，肋片一般由铝材制成，有多种不同的结构参数，可根据冷却的工作环境（温度、气压、湿度和污染等情况）来选择肋片形状、肋间距、肋高和肋厚。

气冷式冷板散热是一种常用的间接冷却散热方式，结构简单，易于实现。其缺点是散热能力有限，结构尺寸较大，散热效率较液冷式冷板低得多，常用在小型机载电子设备中。

（4）液冷式冷板散热系统

液冷式冷板散热系统的冷却介质为液体，冷却材料通常为导热较好的铝材或铜材，在机载电子产品中常用铝材。冷板的大小及液道的形状可根据空间的大小，散热量及冷却源的压力来确定。根据冷板工作的环境温度，选择合适的冰点、沸点、比势、导热系数、汽化热、动力黏度的冷却剂（如乙醇等）。

液冷式冷板散热是一种常用的散热方式，其热流密度大（可达45×103W／m2）、散热效率高、热负载均匀、温度梯度小、结构紧凑。与同体积的其他换热器相比，质量轻、换热面积大，适用于大功率元器件的散热，被广泛用在机载电子产品中。

在设计冷板时，要考虑泵的压力、冷却液的流量、冷却液的温升、冷板表面温度冷却剂的二次冷却等诸多因素，以合理地制定结构方案。