关于LED日光灯散热和冷却的各种方法！

本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 09:55 编辑

大部分热设计适用于上面这个图表,因为基本上散热都是通过面散热。但对于密封设备,则应该用体积功率 密度来估算,热功率密度=热量 / 体积。下图(图2)是温升要求不超过40℃时,不同体积功率密度所对应的散热方式。比如某电源 调整芯片,热耗为0.01W,体积为0.125cm3,体积功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3,查下图得出金属传导冷却可满足要求。

　　温升要求不超过40℃时,不同体积功率密度所对应的散热方式

　　按照上图,可以得出冷却方法的选择顺序：自然冷却一导热一强迫风冷一液冷一蒸发冷却。体积功率密度低于0.122W/cm3传导、辐射、自然对流等方法冷却;0.122-0.43W/cm3强迫风冷;0.43～O.6W/cm3液冷;大于0.6W/cm3蒸发冷却。注意这是温升要求40℃时的推荐参考值,如果温升要求低于40℃,就需要对散热方式降额使用,0.122时就需要选择强迫风冷,如果要求温升很低,甚至要选择液冷或蒸发冷却了。

　　这里面还应注意一个问题,是不是强迫风冷能满足散热要求,我们就可以随便选择风扇转速呢,就好像说某件工作,专科学历的知识水平即可胜任,是不是随便抓个大专生就能做好呢,当然不是,风扇的转速与气流流速有直接关系,这里又涉及一个新概念——热阻。

　　热阻=温度差 / 热耗 (单位℃/W)

　　热阻越小则导热性能越好,这个概念等同于电阻,两端的温度差类似于电压,传导的热量类似于电流。风道的热阻涉及流体力学的一些计算,如果我们在热设计方面要求不是很苛刻,可通过估算或实验得出,如果要求很苛刻,可以查阅《GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册》,里面有很多系数、假设条件的组合,三言两语说不清楚,个别系数我也没搞明白如何与现实的风道设计结合,比如,风道中有一束电缆、风道的壁不是均匀的金属板,而是有高低不平带器件的电路板,对一些系数则只能估算了,最准确的方式反而是实验测量 了。

　　热阻更多的是用于散热器的选择,一般厂家都能提供这个参数。举例,芯片功耗20W,芯片表面不能超过85℃,最高环境温度55℃,计算所需散热器的热阻R。

　　计算：实际散热器与芯片之间的热阻近似为0.1℃/W,则(R+0.1)=(85-55) ℃/20W,则R=1.4℃/W。依据这个数值选散热器就可以了。

　　这里面注意一个问题,我们在计算中默认为热耗≈芯片功率,对一般的芯片,我们都可以这样估算,因为芯片中没有驱动 机构,没有其他的能量转换机会,大部分是通过热量转化掉了。而对于电源转换类芯片或模块,则不可以这样算,比如电源,它是一个能源输出,它的输入电量一部分转化成了热,另外很大部分转化成电能 输出了,这时候就不能认为热耗≈功率。

　　以上部分是定量设计部分的内容,在有了一个定量的设计指导后,也有一些具体的工程技巧来帮助实现理论计算结果的要求。 一般的热设计思路有三个措施：降耗、导热、布局。

　　一、导热

　　导热的设计规范比较多,挑一些比较常见的罗列：

　　1.进风口和出风口之间的通风路径须经过整个散热通道,一般进风口在机箱下侧方角上,出风口在机箱上方与其最远离的对称角上;

　　2.避免将通风孔及排风孔开在机箱顶部朝上或面板 上;

　　3.为防止气流回流,进口风道的横截面积应大于各分支风道截面积之和;

　　4.对靠近热源的热敏元件,采用物理隔离法或绝热法进行热屏蔽。热屏蔽材料有：石棉板、硅橡胶、泡沫塑料、环氧玻璃纤维板,也可用金属板和浇渗金属膜的陶瓷;

　　5.将散热》1w的零件安装在机座上,利用底板做为该器件的散热器,前提是机座为金属导热材料;

　　6.热管安装在热源上方且管与水平面夹角须》30度;

　　7.PCB 用多层板结构(对EMC 也有非常非常大的好处),使电源线或地线在电路板的最上层或最下层;

　　8.热源器件专门设计在一个印制板上,并密封、隔离、接地和进行散热处理;

　　9.散热装置(热槽、散热片、风扇)用措施减少热阻：

　　(1)扩大辐射面积,提高发热体黑度;

　　(2)提高接触表面的加工精度,加大接触压力或垫入软的可展性导热材料;

　　(3)散热器叶片要垂直印制板;

　　(4)大热源器件散热装置直接装在机壳上;

　　10.密封电子设备内外均涂黑漆可辅助散热;为避免辐射热影响热敏器件、热源屏蔽罩内面的辐射能力要强(涂黑),外面光滑(不影响热敏器件),通过热传导散热。

　　11.密封电子设备机壳内外有肋片,以增大对流和辐射面积;

　　12.不重复使用冷却空气;

　　13.为了提高主要发热元件的换热效率、可将元件装入与其外形相似的风道内;

　　14.抽鼓风冷却方式的选择;

　　15.风机的选择;

　　16.被散热器件与散热器之间充填导热膏(脂),以减小接触热阻;

　　17.被散热器件与散热器之间要有良好的接触,接触表面光滑、平整,接触面粗糙度Ra≤6.3μm;

　　18.辐射是真空中传热的唯一方法：

　　(1)确保热源具有高的辐射系数,如果处于嵌埋状态,利用金属传热器传至冷却装置上;

　　(2)增加辐射黑度ε;

　　(3)增加辐射面积s;

　　(4)辐射体对于吸收体要有良好的视角,即角系数φ要大;

　　(5)不希望吸收热量的零部件,壁光滑易于反射热。

　　19.机壳表面温度不高于环境温度10℃;

　　20.液体冷却设计注意事项;

　　21.半导体 致冷适用项目;

　　22.变压器和电感 器热设计检查项目;

　　23.减小强迫对流热阻的措施;

　　24. 降低接触热阻的措施。

　　二、降耗

　　降耗是不让热量产生;导热是把热量导走不产生影响;布局是热也没散掉但通过措施隔离热敏感器件;有点类似于电磁兼容方面针对发射源、传播路径、敏感设备的三个措施。

　　降耗是最原始最根本的解决方式,降额和低功耗的设计方案是两个主要途径,低功耗的方案需要结合具体的设计进行分析,不予赘述。器件选型时尽量选用发热小的元器件,如片状电阻、线绕电阻(少用碳膜电阻);独石电容、钽电容(少用纸介电容);MOS、CMOS 电路(少用锗管);指示灯采用发光二极管或液晶 屏 (少用白炽灯),表面安装器件等。除了选择低功耗器件外,对一些温度敏感的特型元件 进行温度补偿与控制也是解决问题的办法之一,尤其是放大电路的电容电阻等定量测量关键器件。

　　降额是最需要考虑的降耗方式,假设一根细导线,标称能通过10A的电流,电流在其上产生的热量就较多,把导线加粗,增大余量,标称通过20A的电流,则同样都是通过10A电流时,因为内阻产生的热损耗就会减小,热量就小。而且因为降额,在环境温度升高时,器件性能下降情况下,但因为有余量,即使性能下降,也能满足要求,这是降额对于增强可靠性的另一个作用,将是另一篇博客文章的内容。

　　三、合理布局准则：

　　(1)将发热量大的元件安装在条件好的地方,如靠近通风孔;

　　(2)将热敏元件安装在热源下面。零件安装方向横向面与风向平行,利于热对流;

　　(3)在自然对流中,热流通道尽可能短,横截面积应尽量大;

　　(4)冷却气流流速不大时,元件按叉排方式排列,提高气流紊流程度、增加散热效果;

　　(5)发热元件不安装在机壳上时,与机壳之间的距离应>35~40cm

　　4.冷却内部部件的空气进口须加过滤装置,且不必拆开机壳即可更换或清洗。

　　5.设计上避免器件工作热环境的稳定性,以减轻热循环与冲击而引起的温度应力变化。温度变化率不超过1℃/min,温度变化范围不超过20℃,此指标要求可根据产品不同由厂家自行调整。

　　6.元器件的冷却剂及冷却方法应与所选冷却系统及元件相适应,不会因此产生化学反应或电解腐蚀。

　　7.冷却系统的电功率一般为所需冷却热功率的3%一6%;

　　8. 冷却时,气流中含有水分,温差过大,会产生凝露或附着,防止水份及其它污染物等导致电气短路、电气间隙减小或发生腐蚀。

　　3.　布局：

　　1.元器件布局减小热阻的措施：

　　(1)元器件安装在最佳自然散热的位置上;

　　(2)元器件热流通道要短、横截面要大和通道中无绝热或隔热物;

　　(3)发热元件分散安装;

　　(4)元器件在印制板上竖立排放。

　　2.元器件排放减少热影响：

　　(1)有通风口的机箱内部,电路安装应服从空气流动方向：进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集成电路 →小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口,构成良好散热通道;

　　(2)发热元器件要在机箱上方,热敏感元器件在机箱下方,利用机箱金属壳体作散热装置。

　　措施：

　　(1)冷却前后温差不要过大;

　　(2)温差过大会产生凝露的部位,水分不会造成堵塞或积水;

　　(3)如果有积水,积水部位的材料不会发生腐蚀;

　　(4)对裸露的导电金属加热缩套管或其他遮挡绝缘措施。