整风冷电子产品设计过程中的热设计策略 - 图文

如果遵从热设计的基本原则进行设计，经过热设计之后的电子系统性能更好、可靠性更高，并且使用寿命更长。 热设计方面有两条基本原则：尽早尽简。由元件结点至环境的热流通路（译注：也称热阻）决定了元件的温度，其中环境通常是指局部环境的空气温度。

整风冷电子产品设计过程中的热设计策略

如果遵从热设计的基本原则进行设计，经过热设计之后的电子系统性能更好、可靠性更高，并且使用寿命更长。

作者：

Byron Blackmore, Mentor Graphics Corp. Mechanical Analysis 部门FloTHERM.PCB产品经理，在加拿大Technical University of Nova Scotia获得机械工程学士学会，在加拿大University of Alberta获得传热工程硕士学位。

Robin Bornoff, Mentor Graphics Corp. Mechanical Analysis 部门FloTHERM和FloVENT产品市场经理，1992年在英国Brunel University获得机械工程学士学位，并于1995年继续攻读了该校计算流体力学博士学位。 John Parry, Mentor Graphics Corp. Mechanical Analysis 部门研发经理，他在英国University of Leeds获取化学工程一级荣誉学士学位，之后在英国Birmingham University 获取博士学位。

热设计方面有两条基本原则：尽早尽简。由元件结点至环境的热流通路（译注：也称热阻）决定了元件的温度，其中环境通常是指局部环境的空气温度。因此元件温度的控制属于系统设计层面的问题。在产品热设计过程中工程师应采用自上而下的方法来提升产品的可靠性(见下表)。

整风冷电子产品设计过程中的热设计策略

手工计算

热交换过程广泛地存在于管内自然或强迫对流流动、气体外掠平板等其它现象中。由于热交换的计算关联式很难给出比较精确的计算结果，并且使用时候很容易出

1

现错误，所以通常情况下我们建议使用一些经验的数据。

一块0.2m水平放置的平板，在自然对流情况下其与空气的对流换热系数大约为5W m-2K，在空气流速3 ms-1强迫对流情况下其与空气的对流换热系数大约为15W m-2K。为了考虑辐射换热的影响，我们建议自然对流的对流换热系数可以认为是10 W m-2K，强迫对流的对流换热系数可以是10~20 W m-2K。

首先，对于密闭的系统而言我们需要计算系统内的空气温度，对于强迫对流的系统而言可以假设进出口的温升为10~15°C，由此计算出强迫对流系统所需的空气流量。其次，计算所得的空气温度可以用于PCB板温度的计算。最后，通过类似Rjc等元件热阻计算元件的结温。

对于简单的系统，元件结点至环境的热阻可以认为是元件至PCB板、PCB板至内部空气、内部空气至环境的三部分热阻之和。对于复杂的系统而言，元件结点至环境的热阻需要采用热阻网络模型，这需要比较丰富的经验，能够对热阻网络模做出一些假设，并且计算相应的热阻值。

热交换过程通常都是三维的，所以手工计算或经验数据都有很大局限性。实际上由于热源分布和气流流动地不均匀性，PCB板上的温度并不一样。因此，手工计算和经验数据最大的缺点是无法对系统散热性能的改善提供帮助。

计算流体力学

我们建议采用自上而下的方法，在设计的早期阶段建立整个系统简单的计算流体动力学模型(CFD)：

通过三维动态粒子流和可视化温度平面可以提供系统散热性能方面的信息 在设计周期的早期探讨不同的散热方案 将其作为设计发展过程中整合信息的平台 随着热仿真模型的细化，增强设计的可行性

概念设计

概念设计阶段的时间非常短，有时仅需几天时间。CFD软件也必须转换角色，在很短的时间内进行建模和获取仿真结果。CFD软件将系统剖分成很多网格，并在这些网格控制体内计算流动和热交换的基本方程。每一个网格都具有相应的温度、空气流速和压力值。

要使CFD工具在概念设计中起作用，其网格必须100%可靠，并且不需要用户个人控制网格质量和密度。这种趋势导致那些使用自动网格技术的通用CFD工具在电子散热软件领域无所作为。

这个阶段的设计重点是分析热量从系统中去除的基本原理。对于空气冷却的电子产品而言，这个阶段的目标是估计系统所需的空气流量。那么，模型应该包含哪些元件呢？

首先是采用一个简单的箱体来描述电子产品的外壳，其中通风孔采用2维的简化模型来描述。二维简化模型的特性应由通风孔的开孔率和损失系数所确定。专业的电子散热CFD软件应具备定义通风孔直径、角度以及分布的功能。

另外，产品内部的EMC屏蔽网也应考虑在内。在某些情况下强迫风冷系统中自然对流也会影响空气流动，所以在这些系统中需要包括浮升力的影响。此外，考虑浮升力的影响不应延长热仿真所需的时间。

鉴于轴流风扇的成本比较低，所以在强迫风冷的设备中普遍都是用这类风扇。由于在概念设计阶段主要关注的是风扇的性能是否达到要求，所以一个二维形状的轴流风扇足以满足要求。但值得注意的是，风扇至少设置为线性特性曲线，而非固定流量。

一般而言，电子产品建议采用抽风的方式，因为这样可以在系统内产生比较均匀的气流。抽风的弊端是风扇的工作温度比较高，影响风扇的寿命。

对生产商而言，使用便宜、小体积的风扇是非常具诱惑力的。但这通常不是一个好的选择，因为风扇工作在它的最大流量附近，此时噪音更大，并且风扇可靠性也下降。相反，应使用最大流量比系统散热所需空气流量大两至三倍的风扇，并且降低风机转速。

设计师应考虑电子产品中一切导热的元件，包括电子产品的外壳。PCB板可以采用一个各向同性的导热块来描述，其热导率根据PCB含铜量来确定，约为5~10 Wm-1K-1。同时确定所有PCB板的散热量之和应等于系统的总热设计功耗。整个建模过程应在一个小时内完成，并且以更少的时间完成求解。

尽管热仿真结果是近似值，但仿真结果可支持先期的手工计算，并提供系统级气流情况的相关信息。使用元件?JB热阻值可以估计元件的温升。

模块化设计

热仿真可以进行模块化设计，这些模块化设计可以是帮助确定PCB和夹层板或元件之间气流变化的影响。

在确定产品框架结构之前，尝试可行的散热方式可以大幅的降低产品的散热成本，并且深入了解产品的散热机理。尽管这一阶段的热设计工作都是推测性的，但是

这一阶段的工作相当重要。

最优散热方式取决于系统的特点。因此，热设计工程师的职责非常清晰：在结构设计完成前尽量可能多的尝试不同的散热方案，保证尽早选取最优方案。

系统温度似乎过高并不一定意味着系统需要安装风机。也许还有更好的处理方法，比如为一个或者多个元件添加散热器，或者在外壳和元件之间添加导热填充材料，使外壳具备散热器的作用。热设计工程师的工作是确定允许的元件温升，并为元件温升提供足够安全的余量。

在结构设计阶段，细化诸如PCB和元件等仿真模型中有显著温升的地方(Fig. 1)，以便进行精确地求解。随着结构设计的推进，需要对元件的热功耗和所需的散热器进行估算。

最简单的元件建模方法是采用一个具有热导率的块来描述高功耗、高功率密度和

对温度敏感的原件。对于塑料封装的原件，块的热导率约为5 Wm-1K-1。对于陶瓷封装的元件，块的热导率约为15 Wm-1K-1。可以将一些已知热功耗但并不重要的元件作为平面热源，它们所产生的热量将直接进入PCB。

在结构布局完成之前很难获得元件的位置，但设计工程师最好猜想哪一种布局会首先得到尝试。“What-if”分析将在后期的工作中节省热分析工程师和电子工程师的时间。另外，可以讨论一些诸如PCB板是否需要隔离等重要信息。

将工作频率较快的元件放置在一起，甚至在某些情况下将这类元件放置在PCB板的两侧，从而避免出现时序问题。不幸的是，这类工作频率较快的元件产生的热功耗很大。因此，如果不进行相关的热设计工作可能带来灾难性的后果。譬如将过热元件置于来流经过的位置，这些微小地改动往往会带来良好的散热效果。

特别是在高功率密度的系统中，将多个元件的主轴与气流的主导方向成一直线是个不错的选择。因为它增加了流经PCB板的空气流量，并且减少了元件上方气流的旁通，从而增强了散热性能。

热设计中最大的挑战之一是获得元件正确的热功耗值。许多元件是连续工作的，所以正常工作情况下的平均功耗是我们所关心地，而非元件的名义或最大额定功耗。

热设计工程师、结构工程师和电子工程师之间相互交流散热相关的设计数据，并相互告知设计更新后的结果，这是企业热设计流程成熟的一个标志。随着设计不断推进，须不断和反复检查预测元件的功率，因为它们可能与原始值存在较大差异。

散热器扩大了元件和空气间的面积，但重要的一点是面积也不能过大。最佳的方法是选用成本最低的散热器，并且使元件温度低于额定设计值，同时包含一定的余量。更多的散热器翅片可以提供更多的散热表面积，但过多的散热器翅片也可能减少有效的散热面积。因为这可能增加流阻，导致气流旁通散热器，而不是流

过散热器。

这一阶段应避免不切实际的想象。如果元件上方的气流流向主要是一个方向，使用与气流平行的平直型铝挤散热器。如果不是，或许机箱内存在可以提高气流流速的区域。如果气流与元件呈一定角度或者冲击元件，可以使用针状散热器。

包括风扇选择在内的其它方面的模型细化也应进行。专业电子散热的CFD软件具有风扇降额或自动计算风扇低速旋转的功能。这类软件通常都具有一个风扇电子库，并且可以直接将风扇模型拖入至仿真模型中。此外，风扇还可以具有串联或交替工作的功能。

详细设计阶段

结构设计完成之后意味着整个系统设计已经确定。但对于热设计而言还有两大工作需要完成。一方面是细化产品外壳模型，包括所有的风扇和通风口；另一方面是细化模型中的PCB和元件。对模型的细化工作将提高热仿真结果的准确性。

产品的热性能可能千差万别，设计所采用的热流路径也有多种选择，比如可以将元件热量导向PCB板进行散热或者将热量导向散热器进行散热。封装选择很大程度上取决于电子产品的性能和成本。如果将散热成本计入总成本的话，原料最便宜的封装方案可能成为总成本最高的方案。所以我们应该在封装材料选择过程中考虑热性能。

在热仿真初期采用块模型描述元件，这是非常粗糙的一种方法，所得到的元件结

温也不够准确。与元件封装形式的选择相类似，元件的热仿真模型也至少更新为双热阻简化模型2。这将更为精确的预测元件的结温，双热阻模型由结点至上表面外壳热阻和结点至PCB热阻组成，当然能获取Delphi简化模型话最为理想3。

供应商提供Delphi模型的可能性很小。幸运的是，一种基于网络的工具能让系统设计者通过芯片封装外形尺寸创建各种芯片的双热阻模型和Delphi简约热模型4。如果供应商无法提供其他相关信息，但只要清楚芯片的尺寸同样可以进一步提高模型的准确性。此外，也可以创建内部具有详细结构的封装模型。

在PCB布局完成之前应确定散热器设计方案。如果散热器底部尺寸大于元件尺寸，则应在PCB上方余留一定空间。散热器会加大系统内空气流阻，因为流经散热器后方元件的空气流量变小，所以位于散热器后方的元件很可能温度会升高。因此，布局可能需要做一些调整。

散热器成本与其重量有很大关系。因而，便宜就意味着轻，从可靠性的角度来看这也是所希望的。重的散热器对元件产生更大的应力，并且需要在PCB上增加扣件。一些专业的电子散热CFD软件具有强大的网格技术，可以自动优化散热器的设计，最小化重量以达到指定的目标温度5。如果散热器表面积以最小程度扩大，也许热传导良好的塑料材质散热器就能够达到散热的需求。

在PCB布局结束之前，热设计应达到完全有信心将元件的温度控制在额定值之下。此外，任何使用到散热器的元件，其使用的散热器也应完成优化设计。通常，在安排接下来的工作之前，我们都是期望PCB板的设计已圆满完成。

PCB板的仿真模型可以进一步的细化，每一层的含铜量（比如，信号层含铜量20%，电源层和接地层为90%）并将这些含铜量分别在模型中进行设置，可以提升PCB的仿真结果精度。如果PCB的走线已经完成，从EDA接口中导入详细的走线信息，可以进一步地提升热仿真结果精度。这可以考虑每一层铜的分布以及各层之间的热过孔。

系统模拟

在建立第一个样机之前，通常都会进行一个专门的、高度详细的热验证仿真(Fig. 3)。如果在设计的早期就考虑了散热热问题，那么最后的验证将是建立样机之前的一个流程而已。也许，在早期考虑散热问题已成为一个成熟热设计流程的标志。

具有完善热设计流程的公司能将热设计贯穿于项目的整个研发过程中，并在概念设计阶段就考虑到了散热问题。公司也能汲取大量的经验教训。应用这些经验可以提升产品的性能，同时也能够优化元件热仿真模型，并且找到进一步改进热设计流程的方法。

参考文献

1. “Sense and nonsense of heat transfer correlations applied to electronics cooling,” Lasance, C.J.M., Proceedings of the 6th EuroSimE Conference, 18-20 April 2005, pp. 8-16 2. “Two-Resistor Compact Thermal Model Guideline,” www.jedec.org/download/search/JESD15-3.pdf 3. “DELPHI Compact Thermal Model Guideline,” www.jedec.org/download/search/JESD15-4.pdf

4. www.mentor.com/products/mechanical/products/flotherm-pack 5. “Simulation-based design optimization methodologies applied to CFD,” Parry, J., Bornoff, R., Stehouwer, P., Driessen, L., Stinstra, E., Proceedings of 19th SEMI-THERM Symposium, 11-13 March 2003, pp. 8-13

强迫对流换热—风扇冷却

热设计的基础知识与规范二

时间:2007-05-20 01:18来源:作者:点击:8689

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风道的设计 强迫风冷中风道的设计非常重要。以下是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

第四章 强迫对流换热-风扇冷却

当散热面热流密度超过0.08W/cm ，就必须采用强迫风冷的方式散热。强迫风冷在

我公司产品中应用最多。有时尽管不用风扇可以散热，但散热器和机箱体积会很大，

采用风扇冷却可以将体积减小许多。 4.1 风道的设计

强迫风冷中风道的设计非常重要。以下是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。 在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔，防止气流短路。 为避免上游插框的热量带入下游插框，影响其散热，可以采用独立风道，分开散

热。 风道设计应保证插框单板或模块散热均匀，避免在回流区和低速区产生热点。 对于并联风道应根据各风道散热量的要求分配风量, 避免风道阻力不合理布局 要避免风道的高低压区的短路

4.2 抽风与吹风的区别 4.2.1 吹风的优缺点

a. 风扇出口附近气流主要为紊流流动，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中的情

况，此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热元件。

b. 吹风时将在机柜内形成正压，可以防止缝隙中的灰尘进入机柜/箱。

c. 风扇将不会受到系统散热量的影响，工作在在较低的空气温度下，风扇寿命较长。

d. 由于吹风有一定方向性，对整个插框横截面上的送风量会不均匀。

e. 在风扇HUB附近和并联风扇之间的位置有部分回流和低速区，换热较差，最好将风

扇与插框保持50mm以上的间距，使送风均匀化。 4.2.2 抽风的特点

a. 送风均匀，适用于发热器件分布比较均匀，风道比较复杂的情况。 b. 进入风扇的流动主要为层流状态。

c. 风扇将在出风口高温气流下工作，寿命会受影响。 d. 机柜内形成负压，缝隙中的灰尘将进入机柜/箱。 4.3 风扇选型设计 4.3.1 风扇的种类

通信产品中运用的风扇有轴流（Axial）、离心（Radial）、混流（Mixed-flow） 三种，它们的典型特性曲线见图4-1

图 4-1 3 3

图中横坐标表示风量，单位有m /h、m /min、CFM（立方英尺/分钟， -4 3

1CFM=4.72X10 m /s）。纵坐标表示风扇产生的静压，单位有Pa、in. of

water(=249Pa)、mm H2o(=9.8Pa)。由图中可以看出，要使风扇的风量越大，其产生的

静压就越小，用于克服风道阻力的能力就越小。

从图中的对比可以看出，轴流风扇风量大、风压低，曲线中间的平坦转折区为轴

流风扇特有的不稳定工作区，一般要避免风扇工作在该区域。最佳工作区在低风压、

大流量的位置（曲线的后1/3段）。如果系统的阻力比较大，也可以利用高风压、低流

量的工作区（曲线的前1/3段），但要注意风量是否达到设计值。离心风扇的进、出风

方向垂直，其特点为风压大、风量低，最好工作在曲线中压力较高的区域。混流风扇

的特点介于轴流和离心之间，出风方向与进风有一倾斜角度，则风量可以立即扩散到

插框的各个角落，而且风压与风量都比较大，但风扇HUB直径较大，正对HUB

的部分

风速很低，回流比较严重。

目前公司除极个别产品采用混流风扇外，一般都采用轴流风扇。我公司采用的风

扇产品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON，其中PAPST的风扇虽然性能好，但 在商务采购上评级为D，不推荐采用。NMB用得较多，DELTA样品供货较快。 4.3.2 风扇与系统的匹配

空气流过风道将产生压力损失。系统的压力损失有沿程阻力损失和局部阻力损 失。沿程损失是由气流相互运动产生的阻力及气流与壁面或单板的摩擦所引起的。局

部阻力损失是气流方向发生变化或风道截面发生突变所引起的损失。不管哪种损失，

均和当地风速的平方成正比，如局部压力损失由下式计算

(4-1)

式中 为阻力系数， 为空气密度，v为风速。以下是一些典型的局部阻力系数 表4-1 典型局部阻力系数 说明

空气由环境大空间进入进风口（流动突缩） 1 空气由出风口进入环境大空间（流动突扩） 1 空气经过90°转弯 1.5

流通面积率为0.3的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2) 18 流通面积率为0.5的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2) 4 流通面积率为0.7的通孔板(0.01<板厚/孔径<0.2) 1

系统的压力损失与风量呈抛物线关系，风扇产生的静压必须克服阻力损失，将风

扇的特性曲线与系统的特性曲线画在同一张图中，两条曲线的交点即为风扇与系统的

工作点，如图4-2所示

图中表明风扇在该系统中工作时的风量为35m /s，产生的静压为30Pa，系统的压力损

失为30Pa。如果工作点显示的风量不满足设计要求，则需要选择其他型号的风扇来匹

配，或设法降低系统阻力，增加风量。 4.3.3 风扇的串并联

在机柜/箱中一般为保证送风均匀和足够的风量，采用风扇并联使用的方式。风扇

并联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的横向叠加，如图4-3所示，实际上一般会比理

想曲线略低。由图中可以看出，两个风扇并联使用产生的风量并不是仅采用一个风扇

时产生风量的两倍，可能只增加30%，这和系统阻力特性曲线在工作点附近的斜率大

小有关。如果系统阻力较大，阻力特性曲线较陡，当风扇并联的数目多到一定程度

时，并不能明显增加风量。一般建议横向上并联风扇数目不要超过3个，如果插框较

宽，可以用4个，纵向上除非插框很深，一般只用一排。

当机柜/箱的阻力较大时，可以采用风扇串联使用的方式。风扇串联时的特性曲线

理论上为各风扇曲线的纵向叠加，如图4-4所示，实际曲线一般会比理论曲线略低

图4-4 风扇的串联特性曲线

4.3.4 在实际安装情况下风扇特性曲线的改变

风扇安装在系统中，由于结构限制，进风口和出风口常常会受到各种阻挡，其性

能曲线会发生变化，如图4-5所示。由图中可以看出，风扇的进出风口最好与阻挡物有

40mm的距离，如果有空间限制，也应至少有20mm。

图4-5 风扇特性曲线随阻挡物的距离发生的变化

4.3.5 风扇的噪音问题

风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系，如图4-6所示，对于轴流风扇

在大风量，低风压的区域噪音最小，对于离心风机在高风压，低风量的区域噪音最

小，这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区。

风扇进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍，所以一

般应保证风扇进风口离阻挡物至少30mm的距离，以免产生额外的噪音。

对于风扇冷却的机柜，在标准机房内噪音不得超过55dB，在普通民房内不得超过65dB。

对于不得不采用大风量，高风压风扇从而产生较大噪音的情况，可以在机柜的进

风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材

料，吸音效果较好的材料主要是多孔介质，如玻璃棉，厚度越厚越好。 将风扇框置于插框之间比置于机柜的顶部或底部时噪音将略低，即插满单板或模

块的插框有部分消音作用。

有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机，在保证设计风量的条件下，

可以通过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速，从而降低风扇的噪音。当风机

的转速n变化不超过±10%时，相应的噪音降低变化为 式中n2为原转速，n1为调低后的转速。

图4-6 风扇噪音随风量的变化 4.4 机柜/箱强迫风冷设计

对系统进行初步的热分析，先根据结构情况依据4.1的原则进行风道设计。然后估

算机箱冷却所需的空气流量和相应的压降，据此进行风扇的选型和确定风扇的个数。

根据风扇的位置和风道情况，将发热元件和热敏元件尽可能地布置在合适的位置，保

证这些位置的风速较高，避开回流区和低速区。然后对具体热流密度比较高的器件进

行温升校核计算（见第五章），必要的话进行散热器设计（见第5章）。机柜/箱级计算的步骤如下：

第一步：确定风道形式和风道尺寸，了解系统总热耗Q和各单板热耗Qi，环境温度Ta。

第二步：估计机柜/箱空气进出口温差。经验表明机柜直通风道

的一般在8℃~15℃，台式机箱或插框单独风道的一般在5℃~10℃。然后由下式 计算冷却空气的体积流量，即风量（m3/s）(4-2)

为空气的定压比热，常温下为1005W/kg℃。为空气密度，常温下为1.16kg/m3。 Q为系统总热耗（W）。

粗略估算时由上式即可获得所需风量。除以风道流通截面积即可获得平均风速。

对于机柜插框单板间的风速，经验表明，一般在1m/s~2m/s之间。如果功耗较小，有时

仅需0.5m/s，如果功耗很大时，有时需要2~3m/s。

第三步：根据风道结构与单板阻力情况和空气流速，估算空气总压降。空气局部压降

的计算公式为(4-3)

为速度头，空气速度v由流量和风道横截面积计算， 为局部压力损失系数，由实

验确定或凭经验估计。 第四步：根据估算获得的单板风速和空气温升进行主要大功率元器件与热敏元件的温

升校核计算，具体见第五章。如果部分元器件无法满足散热要求，则需要提高风速，

增加风量，或进行电气或结构方面的方案改进，或增加散热器，直到所以元器件的温

升均满足要求为止。

粗略估算时由上式即可获得所需风量。除以风道流通截面积即可获得平均风速。

对于机柜插框单板间的风速，经验表明，一般在1m/s~2m/s之间。如果功耗较小，有时

仅需0.5m/s，如果功耗很大时，有时需要2~3m/s。

第三步：根据风道结构与单板阻力情况和空气流速，估算空气总压降。空气局部压降

的计算公式为(4-3)

为速度头，空气速度v由流量和风道横截面积计算， 为局部压力损失系数，由实

验确定或凭经验估计。 第四步：根据估算获得的单板风速和空气温升进行主要大功率元器件与热敏元件的温

升校核计算，具体见第五章。如果部分元器件无法满足散热要求，则需要提高风速，

增加风量，或进行电气或结构方面的方案改进，或增加散热器，直到所以元器件的温

升均满足要求为止。

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