艾默生热设计规范

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共两部分：

1. 电子设备的自然冷却热设计规范 2. 电子设备的强迫风冷热设计规范

电子设备的自然冷却热设计规范

2004/05/01 发布 2004/05/01 实施

艾默生网络能源有限公司

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 2 页共 80 页修订信息表

版本 V2.0 修订人李泉明修订时间 1999年01月01日 2004年05月01日修订内容更改模板，增加部分新内容，重新在结构室规范下归档新拟制李泉明

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 3 页共 80 页目录

目录 ................................................................................................................................... 3 前言 ................................................................................................................................... 5 1目的 ................................................................................................................................ 6 2 适用范围 ....................................................................................................................... 6 3 关键术语 ....................................................................................................................... 6 4引用/参考标准或资料 ................................................................................................... 7 5 规范内容 ....................................................................................................................... 7 5.1 遵循的原则 ................................................................................................................ 7 5.2 产品热设计要求 ........................................................................................................ 8 5.2.1产品的热设计指标 .................................................................................................. 8 5.2.2 元器件的热设计指标 ............................................................................................. 8 5.3 系统的热设计 ............................................................................................................ 9 5.3.1 常见系统的风道结构 ............................................................................................. 9 5.3.2 系统通风面积的计算 ........................................................................................... 10 5.3.3 户外设备(机柜)的热设计 ................................................................................... 11 5.3.3.1 太阳辐射对户外设备(系统)的影响 ................................................................ 11 5.3.3.2 户外柜的传热计算 ............................................................................................ 13 5.3.4 系统前门及防尘网对系统散热的影响 ............................................................... 15 5.4 模块级的热设计 ...................................................................................................... 15 5.4.1 模块损耗的计算方法 ......................................................................................... 15 5.4.2 机箱的热设计 ....................................................................................................... 15 5.4.2.1 机箱的选材 ........................................................................................................ 15 5.4.2.2 模块的散热量的计算 ........................................................................................ 15 5.4.2.3 机箱辐射换热的考虑 ........................................................................................ 16 5.4.2.4 机箱的表面处理 ................................................................................................ 17 5.5 单板级的热设计 ...................................................................................................... 17 5.5.1 选择功率器件时的热设计原则 ........................................................................... 17 5.5.2 元器件布局的热设计原则 ................................................................................... 17 5.5.3 元器件的安装 ....................................................................................................... 18 5.5.4 导热介质的选取原则 ........................................................................................... 19 5.5.5 PCB板的热设计原则 ........................................................................................... 20 5.5.6 安装PCB板的热设计原则 ................................................................................. 22 5.5.7 元器件结温的计算 ............................................................................................... 22 5.6 散热器的选择与设计 .............................................................................................. 23 5.6.1散热器需采用的自然冷却方式的判别 ................................................................ 23 5.6.2 自然冷却散热器的设计要点 ............................................................................... 23 5.6.3 自然冷却散热器的辐射换热考虑 ....................................................................... 24 5.6.4 海拔高度对散热器的设计要求 ........................................................................... 24 5.6.5 散热器散热量计算的经验公式 ........................................................................... 25 5.6.6强化自然冷却散热效果的措施 ............................................................................ 25

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 4 页共 80 页 6 产品的热测试............................................................................................................. 25 6.1 进行产品热测试的目的 .......................................................................................... 25 6.1.1热设计方案优化 .................................................................................................... 26 6.1.2热设计验证 ............................................................................................................ 26 6.2热测试的种类及所用的仪器、设备 ....................................................................... 26 6.2.1温度测试 ................................................................................................................ 26 7 附录 ............................................................................................................................. 27 7.1 元器件的功耗计算方法 .......................................................................................... 27 7.2 散热器的设计计算方法 .......................................................................................... 29 7.3自然冷却产品热设计检查模板 ............................................................................... 30

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 5 页共 80 页前言

本规范由艾默生网络能源有限公司研发部发布实施，适用于本公司的产品设计开发及相关活动。本规范替代以前公司的同名规范，老版本的同名规范一律废除。本规范更换了新的模板，并根据公司产品开发需求的变化及已积累的设计经验增加了新的内容。本规范由我司所有的产品开发部门遵照执行。本规范于 2004/05/01 批准发布；本规范拟制部门：结构设计中心；本规范拟制人：李泉明；审核人：张士杰；

本规范标准化审查人：数据管理中心；本规范批准人：研发管理办；

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 6 页共 80 页 1目的

建立一个电子设备在自然冷却条件下的热设计规范，以保证设备内部的各个元器件如开关管、整流管、IPM模块、整流桥模块、变压器、滤波电感等的工作温度在规定的范围内，从而保证电子设备在设定的环境条件下稳定、安全、可靠的运行。 2 适用范围

本热设计规范适用于自然冷却电子设备设计与开发，主要应用于以下几个方面： ? 机壳的选材 ? 结构设计与布局 ? 器件的选择

? 散热器的设计与选用 ? 通风口的设计、风路设计 ? 热路设计 3 关键术语

3.1 热环境

设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况 3.2 热特性

设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。 3.3导热系数(λ w/m.k)

表征材料热传导性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量。

3.4 对流换热系数（α w/m2.k）

对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程的强弱，表明了当流体与壁面间的温差为1℃时，在单位时间通过单位面积的热量。 3.5 热阻(℃/w)

反映介质或介质间传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小。 3.6 雷诺数（Re）

雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。 3.7 普朗特数(Pr)

普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。 3.8 格拉晓夫数(Gr)

格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 7 页共 80 页 3.9 定性温度

确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。 3.10 肋片的效率

表示某扩展表面单位面积所能传递的热量与同样条件下光壁所能传递的热量之比。 3.11黑度

实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。 3.12 外部环境温度的定义

自冷时指距设备各主要表面80mm处的温度平均值；强迫风冷（使用风扇）时指距离空气入口80~200mm截面的温度平均值。 3.13 机箱表面的温度定义

机箱表面温度指在机箱各表面几何中心处的温度。 3.14 设备风道的进、出口风温的定义

冷却空气入口、出口温度指在入口或出口处与风速方向垂直的截面内各点温度的平均值。 3.15 冷板散热器

指采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片工艺成型的齿间距较密、宽高比较大的散热器。

3.16 太阳辐射强度

太阳辐射强度指1m2黑体表面在太阳照射下所获得的热量值，单位为W/m2. 4引用/参考标准或资料

下列标准包含的条文，通过在本标准中引用而构成本标准的条文。在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

GBxxxxx-89 电力半导体器件用散热器使用导则 GB11456-89 电力半导体器件用型材散热器技术条件

GJB/Z27-92 国家军用标准汇编,电子设备可靠性设计手册 GB/T 12993-91 电子设备热性能评定电子设备结构设计标准手册

TS-S0E0199002电子设备的自然冷却热设计规范V1.0 分散式散热产品的热设计规范 5 规范内容 5.1 遵循的原则

5.1.1进行产品的热设计应与电气设计、结构设计同时进行，平衡热设计、结构设计、电气设计各种需求。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 8 页共 80 页 5.1.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标准。

5.1.3 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中正常工作，并保证达到设定的MTBF指标。

5.1.4 各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要求。 5.1.4.1元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 5.1.4.2 根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。 5.1.4.3 模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热保护回路，以提高系统的可靠性。

5.1.5 在进行热设计时，应考虑相应的设计冗余，以避免在使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。

5.1.6 热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。

5.1.7 采用自然冷却的条件：常压下单位面积的最大功耗：小于

0.024-0.039w/cm2，上限适应于通风条件较恶劣的情况，下限适应于通风条件较好的场合。 5.2 产品热设计要求 5.2.1产品的热设计指标

5.2.1.1 散热器的表面温度最高处的温升应小于50℃. 5.2.1.2 模块内部空气的平均温升应小于25℃。 5.2.2 元器件的热设计指标

元器件的热设计指标应符合TS-S0A0204001《器件应力降额规范》，具体指标如下：

5.2.2.1 功率器件的工作结温应小于最大结温的(0.5-0.8)倍对额定结温为175℃的功率器件, 工作结温小于140℃. 对额定结温为150℃的功率器件, 工作结温小于120℃. 对额定结温为125℃的功率器件, 工作结温小于100℃. 5.2.2.2 碳膜电阻 120℃ 金属膜电阻 100℃

压制线绕电阻 150℃ 涂剥线绕电阻 225 ℃

5.2.2.3 变压器、扼流圈表面温度 A级 90 ℃

B级 110 ℃ F级 150 ℃ H级 180 ℃

5.2.2.4 电容器的表面温度

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 9 页共 80 页纸质电容器 75-85℃ 电解电容器 65-80℃ 薄膜电容器 75-85℃ 云母电容器 75-85℃ 陶瓷电容器 75-85℃ 5.3 系统的热设计 5.3.1 常见系统的风道结构

5.3.1.1系统风道设计的一些基本原则： ? 进、出风口尽量远离，以强化烟囱效果。 ? 出风口尽可能设计在系统的顶部。

? 在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔，以利于形成有效的烟囱。

? 系统后部应留一定空间以利于气流顺畅流出。

? 为了避免下部热源对于上层热源的影响，可采用隔板形成独立风道。

? 为了避免热空气流入配电单元而影响其可靠性，可把气流风道隔离，形成完整、独立的风道。

5.3.1.2一些典型的风道结构风道1 系统为自然对流独立散热风道，机柜出? 系统为自然对流独立散热风道，机柜出风风口在后门的顶部或顶部。口在后门的顶部或顶部。 ? 模块或插框自然冷却。 ? 模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。 ? 机柜后面的风道要求有足够的宽度，通? 机柜后面的风道要求有足够的宽度，通常常推荐大于200mm以上。推荐大于200mm以上。 ? 配电单元如果位于系统顶部，需与风道? 配电单元如果位于系统顶部，需与风道隔隔离，以避免热空气对配电元器件的影响。离，以避免热空气对配电元器件的影响。 ? 规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范 ? 密级：秘密页码：第 10 页共 80 页除进、出风口外，其它部位须完全密封。除进、出风口外，其它部位须完全密封。 ? 风道2 ? 风道3 系统为自然对流独立散热风道，机柜出? 系统为自然对流独立散热风道，机柜出风风口在后门的顶部或顶部。口在后门的顶部或顶部。 ? 模块或插框为前后通风冷却。 ? 模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。 ? 机柜后面的风道要求有足够的宽度，通? 机柜后面的风道要求有足够的宽度，通常常推荐大于200mm以上。推荐大于200mm以上。 ? 配电单元如果位于系统顶部，需与风道? 配电单元如果位于系统顶部，需与风道隔隔离，以避免热空气对配电元器件的影响。离，以避免热空气对配电元器件的影响。 ? 除进、出风口外，其它部位须完全密封。 ? 除进、出风口外，其它部位须完全密封。图1 典型系统风道结构示意图 5.3.2 系统通风面积的计算

系统进风口的面积大小按下式计算：

S=Q/(7.4310-5H3Δt1.5) .............................…………….......(1)

s-通风口面积的大小，cm2

Q-机柜内总的散热量，W

H-机柜的高度，cm

Δt=t2-t1--内部空气温度t2与外部空气温度 t1 之差， ℃

出风口的面积大小应为进风口面积大小的1.5-2倍；

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 11 页共 80 页 5.3.3 户外设备(机柜)的热设计

5.3.3.1 太阳辐射对户外设备(系统)的影响

5.3.3.1.1 太阳辐射强度及其影响因素

户外柜由于处于室外，太阳辐射将是其热设计必须考虑的重要一环。到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响，大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。到达地面的太阳辐射强度的大小，主要取决于地球对太阳的相对运动，也就是取决于被照射地点与太阳射线形成的高度角β和太阳光线通过大气层的厚度，显然地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。到达地面的太阳辐射有两部分：

直接辐射太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的，称为太阳直接辐射。太阳直接辐射的强弱和许多因子有关，其中，最主要的是太阳高度角(直射或斜射)，其次为大气透明度，或者说，太阳辐射(直射时)经过大气的路程愈短，被大气削弱的愈少，到达地面的太阳辐射愈多；反之，愈少。

一天当中，日出、日没时太阳高度最小，直接辐射最弱；中午太阳高度角最大，直接辐射最强。在一年当中，直接辐射在夏季最强，冬季最弱。以纬度而言，低纬度地区一年各季太阳高度角都很大，地表面得到的直接辐射就比中、高纬度地区大得多。

散射辐射太阳高度角增大时，到达地面层的直接辐射增强，散射辐射也就相应地增强；相反，太阳高度角减小时，散射辐射也弱。太阳经过大气路程长，参与散射作用的质点增多，散射辐射增强；相反，减弱。云也能强烈地增大散射辐射。阴天的散射辐射比晴天强。一日内正午前后散射辐射最强，一年内夏季最强。

总辐射同时到达地面(水平面)的太阳直接辐射和散射辐射之和，称为总辐射。

5.3.3.1.2 户外柜表面所吸收的太阳辐射热

当太阳射线照射到户外柜表面时，一部分被吸收，一部分被反射，二者的比例取决于表面材料的种类、粗糙度和颜色，表面愈粗糙、颜色愈深，吸收的太阳辐射热愈多。同一材料对于不同波长的辐射光的吸收率也是不同的，黑色表面对各种波长的辐射几乎全部吸收，而白色表面对不同波长的吸收率不同，对于可见光几乎90%都反射回去，所以户外柜表面最好为白色和相近色，以减少进入户外柜内部的太阳辐射热。表1列举出了常用户外柜材料及表面颜色的吸收率和发射率。表2列举出了建筑常材料及表面颜色的吸收率和发射率。

表1常用户外柜材料及表面颜色的吸收率和发射率

SURFACE Polished Aluminum Shortwave (solar) absorptance 0.03 Longwave emittance 0.05 规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 12 页共 80 页 0.9 0.9 0.9 Oil-Based Paints: White Light Green Light Gray 0.2 0.5 0.75 表2 常用建筑材料及表面颜色的吸收率和发射率

户外柜表面所吸收的太阳辐射热按式(2)进行计算。 Q = solQsun?????????????(2)

其中：Q―户外柜表面所吸收的总太阳辐射热，W sol―户外柜表面的太阳短波吸收率

Qsun―照射到户外柜表面的总太阳辐射热，W，包括太阳直射、

散射到户外柜表面以及周围其它表面反射的太阳辐射热(开放式空间除外)。 Qsun＝I03A

I0―太阳辐射强度，W/m2,从当地的气象资料中查取。 A－户外柜被太阳照射到的表面积，m2

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 13 页共 80 页 5.3.3.2 户外柜的传热计算

户外柜的传热模型可以简化为如图2所示的热阻网络。

图2 户外柜传热简化模型

其传热路径包括两个部分：

路径一：户外柜内部生成的热量通过对流及辐射传给户外柜内表面，再通过夹层材料(如空气、海面、泡沫等)的导热传到户外柜外表面，最后通过对流及辐射传给周围的大气。

路径二：户外柜外表面吸收了太阳辐射的热量，一部分通过对流及辐射传给周围大气，另一部分则通过夹层材料(如空气、海面、泡沫等)的导热传到户外柜内。

要保持户外柜内的温度Ti恒定，进入户外柜的热量加上内部生成的热量应等于户外柜表面的散热量。如果不能够平衡，则需要借助热交换器或空调来强制维持热量的平衡，保证内部温度达到设计要求并保持恒定。户外柜传热计算的目的就是要计算出需要依靠热交换器或空调来强制维持热量平衡的净热量Qnet。

依据热网络图2给出的传热方程式为：

Ti - Tair = RiQi + RoQi + RoQ - [Ro/Rrad][Tair - Tsky]…………..(3) l/Ro = l/Rconv + l/Rrad

Q――户外柜吸收的太阳辐射的热量，W，Q = solQsun Qsun――太阳辐射的总热量，W

Ti――户外柜内部允许的环境温度，℃ Tair――户外柜周围的外部环境温度，℃ Tsky――户外柜远处的环境温度，℃

Ro――户外柜外表面的总热阻，℃、W

Rconv――户外柜外表面的对流热阻，℃/W

Rrad――户外柜外表面向周围环境及大气的辐射热阻，℃/W Ri---户外柜外内表面的热阻，℃/W sol---户外柜表面的太阳辐射吸收率

具体计算方法按照表3提供的小程序即可快速计算出冷却所需的净热量Qnet。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 14 页共 80 页表3 太阳辐射热负荷计算表

Sun Load Calculation for the Outside Cabinet Solar radiation parameters Solar radiation Sunshine or Shadow Area Coefficient(refer to right table) Constant Coefficient Solar tensity(W/m): Area sunshine(m): Area shadow(m): Absorbtance of the outter surface(α): Emittance of the outter surface(ξ): Stefan-Boltzmann Coefficient Input Parameters Width(mm): Dimensions of the Cabinet Depth(mm): Height(mm): Outside natural convection coefficient(α1 Heat Transfer Coefficient W/mC): Inside forced convection coefficient(α2 W/mC): Ambient Temperature Outside ambient temperature(Toutside-ambient): Inside ambient temperature(Tinside-ambient): Thickness of the outside plane(mm): Heat conductivity of the outside plane(W/mC): Cabinet's Wall Property Thickness of the insulated material(mm): 22222 1120 1.8 1.44 0.2 0.9 5.67E-08 600 600 1200 3 40 40 55 3 180 7 0.033 Heat conductivity of the insulated material(W/mC): Ouput Parameters Temperature (Sunshine) Temperature (Shadow) Sun Load ambient ambient of the of the Inside temperature of the wall Tinside-wall (C): Wall Outside temerature of the wall Toutside-wall (C): Inside temperature of the wall Tinside-wall (C): Wall Outside temerature of the wall Toutside-wall (C): Absorbed heat from the sun(W): Shadow side(W): Shadow side(W): 55.56 60.34 53.91 44.64 403.20 109.84 20.05 252.83 42.84 40.53 (22.36) 1E-07 0.0 403.2 Sunshine side(W): Convection heat transfer to the Sunshine side(W): Rediation heat transfer to the Heat transfer in the cabinet from the sun in the sunshine side(W): Total amount of Heat Net Inrease from the sun to the cabinetQnet (W): 规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 15 页共 80 页 Note: （1）When run this program, firstly fill in the input parameters and select the surface color of the cabinet, then wirte the data of right table to the C6 and C7. Secondly, make the value of D30 equal to the C30 by changing the value of C27. Thirdly, make the value of D28 equal to D29, i.e 0.0, by changing the value of C29. Finally, enjoy the results at the line 35 or line 36.(2)If this value is less than 0.0, that means the outter surface of the cabinet has so good heat transfer performance that it can decrease the heat load of heat exchanger. 5.3.4 系统前门及防尘网对系统散热的影响

如果前门的进风口位置满足要求，并且进风面积足够，一般来讲，开门与关门有约2-5℃差异。

如果需在系统上加防尘网，即使采用粗效的防尘网，也将带来5-10℃的差异。 5.4 模块级的热设计 5.4.1 模块损耗的计算方法

模块的损耗可由下式计算.

Pdiss=(1/η-1)Pout………………………………………(4)

Pdiss -- 模块的损耗,W Pout--模块的输出功率,W η--模块的效率

功率损耗Pdiss是由于发热器件的发热而引起的，这些发热器件包括开关管（MOSFET，IGBT），整流管（整流二极管及FRED），滤波电感，变压器以及开关管的驱动等。 5.4.2 机箱的热设计 5.4.2.1 机箱的选材

如果需利用模块的机箱作为散热器，则模块机箱必须选用铝合金材料，且模块内壁不得进行拉丝处理，材料的厚度不得低于1.5mm。如果不利用机箱进行散热，则模块机箱选材不受限制。 5.4.2.2 模块的散热量的计算

5.4.2.2.1对密封机箱

QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4ζSεTm3ΔT.............(5) S= Ss+St+Sb

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 16 页共 80 页如果计算出的散热量QT≤需求散热量Q，则必须选用通风机箱。 5.4.2.2.2 对通风机箱

QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4ζSεTm3Δt+1000uAΔT ..……...(6) QT -模块的耗散功率，W

Ss－机箱侧面内壁的有效面积，m2 St 朹机箱顶部面积，m2

Sb-机箱的底面积，m2

Δt-风道进出口温差，℃

ζ－斯－波尔兹曼常数，为5.67310-8W/m2.K ε-辐射系数 Tm＝（T+Ta）/2

T-机箱的表面温度，K Ta－环境温度，K

u- 自然风速，一般取0.1-0.2m/s A-通风面积， m2 5.4.2.3 机箱辐射换热的考虑

对于自然冷却的机箱，大部分需承担散热器的功能，其表面温升一般较高，约25-40℃，其表面的辐射换热量在整个机箱的散热量中占有较大的比重，有些甚至成为主要的散热途径，所以，在进行机箱的散热计算时，不能忽略辐射换热，可按计算式(5)-(6)中提供的方法计算辐射换热，也可按下式进行计算：

Q辐射＝4ζSε(Ts4-Ta4)…………………….(7)

S－机箱的有效面积，m2

ζ－斯－波尔兹曼常数，为5.67310-8W/m2.K ε-辐射系数

Ts-机箱的表面温度，K

Ta－环境温度，K

必须牢记，电子设备由于温度不是太高，辐射波长相当长，处于不可见的红外区。而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好的吸收体，所以在考虑机箱的辐射换热时，必须同时考虑机箱表面辐射吸收的热量及机箱表面辐射散出的热量。

对于模块，基本处于室内，不涉及太阳辐射的问题，如果模块周围没有温度高于模块的物体，其机箱表面吸收的辐射热量可以不考虑，只需考虑机箱表面的散热量，所以机箱表面的实际辐射散热量对于机箱表面辐射散出的热量。

Q实际辐射＝Q辐射散热

如果模块周围有温度高于模块的物体，其机箱表面吸收的辐射热量必须考虑，机箱表面的实际散热量按(8)式计算：

Q实际辐射＝Q辐射散热－Q辐射吸热………………(8)

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 17 页共 80 页 5.4.2.4 机箱的表面处理

从热设计角度，无论机箱还是散热器，不推荐表面进行任何处理，额外的表面处理对辐射散热贡献较小，却增加了产品成本。 5.5 单板级的热设计

5.5.1 选择功率器件时的热设计原则

5.5.1.1 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用允许结温Tj高的功率器件（根据供应商手册提供的数据进行筛选）。 5.5.1.2 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用结壳热阻Rjc较小的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选)。 5.5.1.3 在其它性能参数相同的情况下，优先选用封装尺寸较大的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选)，以减小器件与散热器间的接触热阻Rcs。 5.5.1.4 对于MOSFET器件,在结壳热阻Rjc相近的条件下，应优先选用25℃下RD(ON)较小的器件。

5.5.1.5 对于IGBT器件，在结壳热阻Rjc相近的条件下，应优先选用相同门极电阻下开关能量较小的器件。 5.5.2 元器件布局的热设计原则

5.5.2.1电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射，对流进行散热的，所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆，放置位置应便于对流散热并加大与其它元件之间的距离。

5.5.2.2 对不加屏蔽罩的变压器，铁芯与支架、支架与固定面之间应有良好的接触，以使接触热阻最低;

对带屏蔽罩的变压器，外罩必须与固定面良好接触，把变压器的固定面用支架垫高，并在底板上开通风孔，以形成气流对流。

5.5.2.3 对模块内部不能够吹到风的PCB板，在布置元器件时，元器件与元器件

之间，元器件与结构件之间应保持一定距离，以利空气流动，增强对流换热. 5.4.3.3.1对相邻的两垂直发热表面，d/L=0.25，如图3-(a)所示。

5.4.3.3.2 对相邻的垂直发热表面与冷表面间距,dmin=2.5mm, 如图3-(b)所示。 5.4.3.3.3 对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间,d/D=0.85, 如图3-(c)所示。

5.4.3.3.4 对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间,d/D=0.7, 如图3-(d)所示。

5.4.3.3.5 对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间,d/D=0.65, 如图3-(e)所示。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 18 页共 80 页图3 自然对流时元器件排列的距离关系

5.4.3.4 在PCB上布置各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在边沿和顶部，以利于散热。

5.4.3.5应将不耐热的元件(如电解电容)放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又耐热的元件(如电阻,变压器等)放在靠近出风口的位置。

5.4.3.6 在PCB上布置各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的位置。

5.4.3.7 对热敏感元件，在结构上应采用“热屏蔽”方法解决。 5.5.3 元器件的安装

元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻，即接触热阻。

5.5.3.1 为尽量减小传导热阻，应采用短通路，即尽可能避免采用导热板或散热块把元器件的热量引到散热器表面，而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散热措施。

5.5.3.2 为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。

5.5.3.3 对器件须与散热器绝缘的情况，采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能，且能够承受一定的压力而不被刺穿，详见5.5.4。

5.5.3.4把器件装配在散热器上时，应严格按照我司TS-S0E0102012《大功率管安装设计工艺规范》中提供的安装压力或力矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件。

5.5.3.5 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 19 页共 80 页 5.5.3.6 对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道。

5.5.3.7 当利用接触界面导热时，采用下列措施使接触热阻减到最小。 5.5.3.7.1 尽可能增大接触面积。 5.5.3.7.2 确保接触表面平滑。 5.5.3.7.3 利用软材料接触。

5.5.3.7.4 扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)。 5.5.3.7.5 利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀。 5.5.4 导热介质的选取原则

为了解决功率器件与散热器间的电气绝缘问题，功率器件与散热器间应加导热绝缘材料，考虑到性价比，在散热条件不是很恶劣，如功率器件损耗较小或功率器件处于有利的通风位置时，可选用通用的导热绝缘材料SP400，其它条件下可选用散热性能较好的SP900S，只有在特殊情况下，才允许选用SP2000。其性能参数如表4所示

表4 常用热界面材料性能参数表材料 Sil-pad2000 0.25±0.025 3.5 1.29 -60～180℃ 硅橡胶/玻璃纤维 <0.4 Sil-pad900S 0.23±0.025 1.6 2.6 -60～180℃ 硅橡胶/玻璃纤维 <0.6 Sil-pad400 0.23±0.025 0.9 4.6 -60～180℃ 硅橡胶/聚脂薄膜 <0.9 陶瓷基片 0.63±0.025 27 1.2 -60～180℃ 陶瓷＋三氧化二铝 <0.35 材料厚度(mm) 导热系数W/m.k 单位面积热阻 ℃-cm2/W 使用温度℃ 材料构成实测热阻值实测热阻值是在采用TO－247封装，在紧固压力为12Kg.cm下测得的。

5.5.4.1 由于陶瓷基片在安装时容易碎裂，所以不推荐使用陶瓷基片。

5.5.4.2 对于输出部分，由于总是处于出风口的位置，一方面通过其功率管表面及散热器表面的风均为热风，另外输出二极管部分后面总会有输出共模电感或差模电感之类的体积较大的器件，影响出风，所以该部分的散热条件总是比较恶劣，为了减小散热器的压力，可考虑采用散热器悬浮的方法去掉功率管与散热器间的导热绝缘膜，使功率管直接贴在散热器上。

5.5.4.3 为了便于安装，导热绝缘膜可考虑选用单面背胶的方法解决导热绝缘膜的定位问题，即先将导热绝缘膜粘在安装位置，再进行功率管的安装与紧固。但必须注意，导热绝缘膜背胶会增加其热阻，由于胶不是良好的导热介质，一般情况下，热阻会增加30－40％，所以，在热设计时需考虑该部分的冗余。 5.5.4.4 我司推荐的大部分导热绝缘材料均采用硅橡胶为基体，质地较软，因此，在安装时不需要涂硅脂；只有少数材料如SP400、SPK10、陶瓷基片等质地比较硬

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 20 页共 80 页的材料必须涂硅脂，要求硅脂必须涂敷均匀，硅脂层厚度小于0.15mm。 5.5.5 PCB板的热设计原则

PCB板热设计的主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部(散热器和大气中)。

5.5.1 印制线的载流容量和温升

设计印制板时要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导，不能引起超过允许的温升和压降。

在实际应用中，常有较大电流流过输出端铜箔，如果输出铜箔设计的过细，则会导致铜箔的温度上升。印制电路板的材料、导电铜箔的厚度、容许温升将影响到铜箔厚度应该多宽、能承受多大电流。一般对1盎司的环氧玻璃板，如果允许温升小于10℃(考虑到系统内部的环境温度可能超过70℃) ，则一般可按1A电流取1mm宽铜箔的经验数据进行铜箔设计。如假如流过的电流为5A，对1盎司的环氧玻璃板，其铜箔宽度可取5mm。实际可按照容许温升的大小按照图4进行选择。

图4 1盎司环氧玻璃板电流与铜箔宽度的关系图,

需提醒的是，不同的基板材料生产厂家，不同的基板材料，则图3显示的电流与铜箔的关系是不相同的。可通过实验进行确定。 5.5.2 印制板的散热

5.5.2.1 选用厚度大的印制线，以利于印制线的导热和自然对流散热。

5.5.2.2 减小元器件引线腿及元器件引线间的热阻，增强元器件引线腿对印制线的热传导，增强导电性。

5.5.2.3 当元器件的发热密度超过0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热，应采用散热网、汇流条器等措施。

5.5.2.4 若发热密度非常高，则元器件应安装散热器，在元器件和散热材料之间应涂抹导热膏。

5.5.2.5 以上措施仍不能充分散热时，就应采用热传导性能好的印制板，如金属基底印制板和陶瓷基底(高铝陶瓷、氧化砖陶瓷、冻石陶瓷)印制板。

5.5.2.6 对塑封器件和SMD封装的元器件，通过管脚散热成为主要的散热器途径之一，其热设计应满足以下原则：

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 26 页共 80 页 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表面的等温线布置，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

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 27 页共 80 页 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=IR

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)

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 28 页共 80 页 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)

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范

密级：秘密页码：第 29 页共 80 页式中：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)

F1--对流换热面积(m)

R对=1/（αF1）................………………….....(19)

α--对流换热系数,按下表计算

层流（104〈Ra〈109〉紊流（Ra〉109） 0.251/3α=1.42(△T/L) α=1.31(△T/L) 竖平板及竖圆柱体水平圆柱体 α=1.32(△T/L)0.25 α=1.24(△T/L)1/3 规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 30 页共 80 页 α=1.43(△T/L)1/3 水平板热面朝上水平板热面朝下 α=1.32(△T/L)0.25 α=0.61(△T/L)0.25 △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) δ

0：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？

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范 ? ? ? ? ? ? ? ? 密级：秘密页码：第 31 页共 80 页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？

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？

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？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？)

7.3.2 PCB板的排列、安装时的热设计

? ? ? ? 7.3.3 模块机箱的热设计

? ? ? ? ? 6.3.4 机柜的热设计

? ? ? ? ? ? 是否充分利用了烟囱效应？

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电子设备的强迫风冷热设计规范

2004/05/01 发布 2004/05/01 实施

艾默生网络能源有限公司

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 33 页共 80 页修订信息表

版本 V2.0 修订人李泉明修订时间 1999年01月01日 2004年05月01日修订内容更改模板，增加部分新内容，重新在结构室规范下归档新拟制李泉明

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 34 页共 80 页目录

目录 ................................................................................................................................. 34 前言 ................................................................................................................................. 36 1目的 .............................................................................................................................. 37 2 适用范围 ..................................................................................................................... 37 3 关键术语 ..................................................................................................................... 37 4引用/参考标准或资料 ................................................................................................. 39 5 规范内容 ..................................................................................................................... 39 5.1 遵循的原则 .............................................................................................................. 39 5.2 产品热设计要求 ...................................................................................................... 40 5.2.1产品的热设计指标 ................................................................................................ 40 5.2.2 元器件的热设计指标 ........................................................................................... 40 5.3 系统的热设计 .......................................................................................................... 40 5.3.1 常见系统的风道结构 ........................................................................................... 40 5.3.2 系统通风面积的计算 ........................................................................................... 47 5.3.3 系统前门及防尘网对系统散热的影响 ............................................................... 48 5.4 模块级的热设计 ...................................................................................................... 48 5.4.1 模块损耗的计算方法 ......................................................................................... 48 5.4.2 机箱的热设计 ....................................................................................................... 48 5.4.2.1 机箱的选材 ........................................................................................................ 48 5.4.2.2 模块的通风面积 ................................................................................................ 48 5.4.2.3 机箱的表面处理 ................................................................................................ 49 5.5 单板级的热设计 ...................................................................................................... 49 5.5.1 选择功率器件时的热设计原则 ........................................................................... 49 5.5.2 元器件布局的热设计原则 ................................................................................... 49 5.5.3 元器件的安装 ....................................................................................................... 50 5.5.4 导热介质的选取原则 ........................................................................................... 50 5.5.5 PCB板的热设计原则 ........................................................................................... 51 5.5.6 安装PCB板的热设计原则 ................................................................................. 53 5.5.7 元器件结温的计算 ............................................................................................... 53 5.6 散热器的选择与设计 .............................................................................................. 56 5.6.1散热器需采用的强迫冷却方式的判别 ................................................................ 56 5.6.2 强迫风冷散热器的设计要点 ............................................................................... 57 5.6.3 风冷散热器的辐射换热考虑 ............................................................................... 59 5.6.4 海拔高度对散热器的设计要求 ........................................................................... 59 5.6.5 散热器散热量计算的经验公式 ........................................................................... 59 5.6.6强化散热器散热效果的措施 ................................................................................ 60 5.7风扇的选择与安装的热设计原则 ........................................................................... 60 5.7.1多个风扇的安装位置 ............................................................................................ 60 5.7.2风扇与最近障碍物间的距离要求 ........................................................................ 60 5.7.3消除风扇SWIRL影响的措施 ............................................................................. 61

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 35 页共 80 页 5.7.4抽风条件下对风扇选型的限制 ............................................................................ 62 5.7.5降低风扇噪音的原则 ............................................................................................ 62 5.7.6解决海拔高度对风扇性能影响的措施 ................................................................ 63 5.7.7确定风扇型号的方法 ............................................................................................ 64 5.7.8吹风与抽风方式的选择原则 ................................................................................ 64 5.7.9延长风扇寿命与降低风扇噪音的措施 ................................................................ 65 5.7.10风扇的串列与并联 .............................................................................................. 65 5.8防尘对产品散热的影响 ........................................................................................... 68 5.8.1抽风方式的防尘措施 ............................................................................................ 68 5.8.2吹风方式下的防尘措施 ........................................................................................ 68 5.8.3防尘网的选择方法 ................................................................................................ 68 6 产品的热测试 ............................................................................................................. 69 6.1 进行产品热测试的目的 .......................................................................................... 69 6.2 热测试的种类及所用的仪器、设备 ..................................................................... 69 6.2.1温度测试 ................................................................................................................ 69 6.2.2速度测量 ................................................................................................................ 70 6.2.3流体压力的测量 .................................................................................................... 71 7 附录 ............................................................................................................................. 73 7.1 元器件的功耗计算方法 .......................................................................................... 73 7.2 散热器的设计计算方法 .......................................................................................... 75 7.3 冷板散热器的计算方法 .......................................................................................... 76 7.4 强迫风冷产品的热设计检查模板 .......................................................................... 79

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 36 页共 80 页前言

本规范标准化审查人：数据管理中心；本规范批准人：研发管理办；

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 37 页共 80 页 1目的

建立一个电子设备在强迫风冷条件下的热设计规范，以保证设备内部的各个元器件如开关管、整流管、IPM模块、整流桥模块、变压器、滤波电感等的工作温度在规定的范围内，从而保证电子设备在设定的环境条件下稳定、安全、可靠的运行。 2 适用范围

本热设计规范适用于强迫风冷电子设备设计与开发，主要应用于以下几个方面： ? 机壳的选材 ? 结构设计与布局 ? 器件的选择

? 散热器的设计与选用 ? 通风口的设计、风路设计 ? 热路设计 ? 选择风扇 3 关键术语

3.1 热环境

设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况 3.2 热特性

设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。 3.3导热系数(λ w/m.k)

表征材料热传导性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量。

3.4 对流换热系数（α w/m2.k）

对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程的强弱，表明了当流体与壁面间的温差为1℃时，在单位时间通过单位面积的热量。 3.5 热阻(℃/w)

反映介质或介质间传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小。 3.6流阻(Pa)

流阻反映了流体流过某一通道时所产生的压力差。 3.7 雷诺数（Re）

雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。 3.8 普朗特数(Pr)

普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 38 页共 80 页 3.9 格拉晓夫数(Gr)

格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则。 3.10 定性温度

确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。 3.11 肋片的效率

表示某扩展表面单位面积所能传递的热量与同样条件下光壁所能传递的热量之比。 3.12 黑度

实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。 3.13 努谢尔特数Nu(Nusseltl)

反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则。

3.14 传热单元数NTU

为无因次量，其数值反映了在给定条件下所需传热面积的大小，是一个反映冷板散热器综合技术经济性能的指标。 3.15 冷板的传热有效度E

衡量冷板散热器在传递热量方面接近于理想传热状况的程度，它定义为冷板散热器的实际传热量和理论传热量之比，为无因次量 3.16 防尘网的阻力

防尘网对气流形成阻力。防尘网积灰，阻力增加，当阻力增大到某一规定值时，过滤器报废。新防尘网的阻力称“初阻力”；对应防尘网报废的阻力值称“终阻力”。设计时，常需要一个有代表性的阻力值，以核算系统的设计风量，这一阻力值称“设计阻力，惯用的方法是取初阻力与终阻力的平均值。

3.17 外部环境温度的定义

自冷时指距设备各主要表面80mm处的温度平均值；强迫风冷（使用风扇）时指距离空气入口80~200mm截面的温度平均值。 3.18 机箱表面的温度定义

机箱表面温度指在机箱各表面几何中心处的温度。 3.19 设备风道的进、出口风温的定义

冷却空气入口、出口温度指在入口或出口处与风速方向垂直的截面内各点温度的平均值。 3.20 冷板散热器

指采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片工艺成型的齿间距较密，宽高比较大的散热器。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 39 页共 80 页 4引用/参考标准或资料

GBxxxxx-89 电力半导体器件用散热器使用导则 GB11456-89 电力半导体器件用型材散热器技术条件

GJB/Z27-92 国家军用标准汇编,电子设备可靠性设计手册 GB/T 12992-91 电子设备强迫风冷热特性测试方法 GB/T 12993-91 电子设备热性能评定电子设备结构设计标准手册

TS-S0E0199001 电子设备的强迫风冷热设计规范分散式散热产品的热设计规范 5 规范内容 5.1 遵循的原则

5.1.1进行产品的热设计应与电气设计、结构设计同时进行，平衡热设计、结构设计、电气设计各种需求。

5.1.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标准。

5.1.3 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中正常工作，并保证达到设定的MTBF指标。

5.1.4 各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要求。 5.1.4.1元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 5.1.4.2 根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。

5.1.4.3 在规定的使用期限内，冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低。

5.1.5 模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热保护回路以及风速调节回路，以提高系统的可靠性。

5.1.6 在进行热设计时，应考虑相应的设计冗余，以避免在使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。

5.1.7 热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。

5.1.8 冷却系统要便于测试与维护。

5.1.9 采用强迫风冷的条件：在常压下，强迫风冷的应用范围为0.04-0.31w/cm2，小于0.04w/cm2采用自然冷却，大于0.31 w/cm2须采用水冷或其它表面冷却。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 40 页共 80 页 5.2 产品热设计要求 5.2.1产品的热设计指标

5.2.1.1 散热器的表面温度最高处的温升应小于45℃. 5.2.1.2 模块内部空气的平均温升应小于20℃。 5.2.2 元器件的热设计指标

元器件的热设计指标应符合TS-S0A0204001《器件应力降额规范》，具体指标如下：

压制线绕电阻 150℃ 涂剥线绕电阻 225 ℃

5.2.2.3 变压器、扼流圈表面温度 A级 90 ℃

B级 110 ℃ F级 150 ℃ H级 180 ℃

5.2.2.4 电容器的表面温度纸质电容器 75-85℃ 电解电容器 65-80℃ 薄膜电容器 75-85℃ 云母电容器 75-85℃ 陶瓷电容器 75-85℃ 5.3 系统的热设计 5.3.1 常见系统的风道结构

5.3.1.1系统风道设计的一些基本原则：

? 尽量采用直通风道，避免气流的转弯。在气流急剧转弯的地方，应采用导风板使气流逐渐转向，使压力损失达到最小。 ? 尽量避免骤然扩展和骤然收缩。

? 进、出风口尽量远离，防止气流短路。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 46 页共 80 页风道12 风道11 Motorola CPX8216机箱风道。采用可变速轴流风扇鼓风，风扇竖放，风扇的出风口处装有导风叶片，将气流按系统热量分布分为三个部分，一部分冷却电源模块，一部分冷却后插单板部分和前插单板的后半部分，一部分冷却前插单板靠近拉手条的发热元器件。这种设计使结构紧凑，风量合理分配。这是典型的机箱通风风道设计，采用离心风扇抽风，向后排出，进风口在机箱前下方。威图和国外一些产品都采用这种风道。我们目前掌握的离心风扇资料中没有合适的型号可用于这种设计，主要因为离心风机的风量过小，尺寸大，噪音也大。风道13 风道12中如果没有合适的离心风扇型号可选，可用轴流风扇竖放代替，但风扇模块将风道14 鼓风式的机箱风道设计在Motorola的一些产品中可以见到。鼓风的换热强度比抽风时高，规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 47 页共 80 页占用较大高度空间。如果机箱高度有限制，可将风扇平放，但风扇出风口上方还是得留有一定出风空间，至少40mm，如风道4中的风扇框一样，这种方式风阻较大，对风量有一定影响，需要采用较大尺寸风扇。但送风不均匀，在风扇中心和风扇之间都存在回流死区，要警惕这些死区的存在，将发热芯片布置在气流集中的地方。将风扇出风口和单板保持50mm的距离，可使流场均匀，但将增加高度空间。另外，风扇的进风口距离底板较近，会产生较大噪音，进风也受障碍，所以应尽量加大距离，距下壁面至少40mm。风道15 Motorola曾在其基站产品中采用这种风道设计，进风口在机柜上前方，在机柜底部采用两个大离心风扇抽风，并向前方排出。这种通风方式与自然对流的方向背道而弛，主要是考虑避免高速气流正对人吹。另外向机柜前方出风，避免了后出风时靠墙安装所遇到的阻力。风道16 风道16为我司典型的模块风冷、机柜自冷的电源系统风道结构，采用并联风道,每一个单元都进行单独通风冷却，单元通风可以是吹风或抽风。如果没有前维护的需求，系统的出风口可以在后门板上，位置最好直对风扇，顶部可以密封；如果有前维护的需求，后门板不能出风，则需利用系统的“烟囱”效应，从顶部出风。如果系统有门，系统的进风口必须正对模块，其通风面积按5.3.2计算。如果系统有前维护的要求，需采用顶部出风的风道结构，系统其它部分的密封是必须的，以防止风道短路及对上层配电元器件的影响。图2 典型系统风道结构示意图 5.3.2 系统通风面积的计算

通风口的面积大小应为： S＝(1.5-2.0)(N3S模块)………………(1)

S模块---系统通风面积，m2 N---每层模块的总数

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 48 页共 80 页 S模块---每一个模块的通风面积, m2 5.3.3 系统前门及防尘网对系统散热的影响

如果前门的进风口位置满足要求，并且进风面积足够，一般来讲，开门与关门有约2-5℃差异。

如果需在系统上加防尘网，即使采用粗效的防尘网，也将带来5-10℃的差异。 5.4 模块级的热设计 5.4.1 模块损耗的计算方法

模块的损耗可由下式计算.

Pdiss=(1/η-1)Pout………………………………………(2)

Pdiss -- 模块的损耗,W Pout--模块的输出功率,W η--模块的效率

如果需利用模块的机箱作为散热器，则模块机箱必须选用铝合金材料，且模块内壁不得进行拉丝处理，材料的厚度不得低于1.5mm。如果不利用机箱进行散热，则模块机箱选材不受限制。 5.4.2.2 模块的通风面积

5.4.2.2.1风扇侧的通风面积

无论是抽风还是吹风方式，安装风扇侧的通风面积即为风扇的流通面积，按下式计算：

S＝K30.785(Dout2-DHUB2) ……………………………(3) S-风扇侧机箱的通风面积，m2 k-冗余系数，取1.1-1.2 Dout －风扇框的内直径，m

DHUB －风扇中心HUB的直径，m

5.4.2.2.2 非风扇侧的通风面积

如果抽风风扇，非风扇侧的通风面积大于等于风扇侧的通风面积。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范密级：秘密页码：第 49 页共 80 页如果吹风风扇，考虑到空气受热体积膨胀的因素，非风扇侧的通风面积=(1.5-2.0)3风扇侧的通风面积。 5.4.2.3 机箱的表面处理

从热设计角度，无论机箱还是散热器，不推荐表面进行任何处理，额外的表面处理对散热贡献较小，却增加了产品成本。 5.5 单板级的热设计

5.5.1 选择功率器件时的热设计原则

5.5.1.5 对于IGBT器件，在结壳热阻Rjc相近的条件下，应优先选用相同门极电阻下开关能量较小的器件。 5.5.2 元器件布局的热设计原则 5.5.2.1 一般性原则，如图3所示

tall, long devicere-circulationairflowheat dissipatersheat sensitive deviceHigh power devicesnear edge of substrateheatsinkedge strip 图3 元器件布局原则示意图

? 最大损耗的元器件应靠近PCB边缘。 ? 保证空气流通并能够以较大的风速流过较热的区域。

规范编码：版本：V2.0 艾默生网络能源研发部执笔人：李泉明结构设计规范 ? 密级：秘密页码：第 50 页共 80 页温度敏感的元器件应尽量靠近进风口。

? 高、大的元器件如电磁元件、电容等不能够对气流形成阻挡。

? 如果不能消除SWIRL的影响，即无法保证流出风扇框的流场是近似均匀的流场，则必须避免布置高热器件在流场的旋涡区域，因为该区域风速最小。 ? 散热器的安装方向：要保证散热器齿槽方向与风向平行 ? 散热器周围与其它元器件的距离推荐小于10mm。 5.5.3 元器件的安装

元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻，即接触热阻。

5.5.3.2 为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。

5.5.3.3 对器件须与散热器绝缘的情况，采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能，且能够承受一定的压力而不被刺穿，详见5.5.4。

5.5.3.4把器件装配在散热器上时，应严格按照我司TS-S0E0102012《大功率管安装设计工艺规范》中提供的安装压力或力矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件,。

5.5.3.5 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上。 5.5.3.6 对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道。

5.5.3.7.4 扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)。 5.5.3.7.5 利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀。 5.5.4 导热介质的选取原则

表1 常用热界面材料性能参数表

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