来源:技术与市场

作者:智学德，田佳雨，张子阔

摘 要：电子设备的发热量比较大，热设计质量对系统可靠性造成直接影响。对电子设备整机结构热设计进行分析，给出合理优化设计结果。通过实验结果表示，此设计方案有效可行。

关键词：电子设备; 整机结构; 热设计

0 引言

现代电子设备对于性能指标、可靠性、功率密度等要求不断提高。因此，电子设备的热设计越来越重要。在电子设备设计过程中，功率器件尤为重要，其工作状态会对整机可靠性造成影响。由于大功率器件发热量不断增加，通过封装外壳散热已经无法满足散热需求，需要对散热和冷却的方法进行合理选择从而实现有效散热，使电子元器件温度控制在规定值以下，在热源到外部环境之间实现导热通道，从而保证热量能够顺利导出。

1 PCB 板的设计

线路设计人员要对 PCB 进行优化设计，优先使用耐高温性能良好的工业级以上器件，重点考虑元器件合理布局，利于散热。一般在中心设置热损耗小器件，在外围布设热损耗比较大的器件，优先使用双列直插器件。

根据温控指标确定印制板导线宽度和铜箔层厚度，从而使散热与导热能力得到提高，在印刷版与元器件中间设置铜导热条，安装的过程中使用导热条实现全部发热器件的跨接，利用导热条传递元器件的能量。芯片充填导热硅脂，从而使空气间隙得到消除，降低接触热阻。然后，根据散热方式占比、导热宽度、元器件大小、密集度等实现印刷版最佳尺寸的确定。

由于电子设备依靠对流和辐射散热比较困难，主要通过传导才能够实现散热。为缩短传导路径，实现合理布局，设计过程中需将发热器件安装到机壳中。通过插座实现 PCB 的连接，以此使连接电缆得到降低，方便气流流通，实现最小热阻、最短散热路径的设置，避免箱内出现循环热量。

提高机箱对外传热能力，对箱体导热进行氧化热处理，将有机涂料进行涂抹能够进一步的提高辐射散热。另外，实现机箱壁翅板散热形状加工，从而使机箱整体散热面积得到提高。为了能够更好地防潮湿、防霉菌，可将防水导热材料填充到搭接面中。

使用时在机壳底板中设置电源模板，利用机壳底板实现上电，在上方安装开孔金属散热器板，使机箱壁接触面积得到提高。另外，为芯片 1145110 设置铜质导热板，在 8245 芯片中设置铝材散热板，提供低热阻通路。导热板表面使用厚度为1 mm的导热垫进行导热，通过连接螺钉紧固力产生接触压力。

2 导热板的设计

使用大热传导系数的紫铜板，芯片管脚处发热比较大，使用排列整齐的双列直插器件，能够使器件管脚穿过导热板，器件底板和绝缘膜导热板表面紧贴。

部分器件为 TGA、PLCC 封装方式，四面管脚。比如主要散热原件为 CPU，要使用有效散热措施。此时能够在导热板中开方孔让出器件，在器件顶面压一块小导热板，使热量导向 PCB导热板。为了使小导热板和器件、PCB 导热板良好接触，使导热效率得到提高，在接触面中涂抹绝缘导热脂或者垫绝缘导热橡胶板，从而使器件端和 PCB 导热板紧密接触。为了使另外一端导热板和机箱壁紧密接触，PCB 导热板和机箱壁连接使用楔形压紧结构。此结构方式能够在散热器集中、热耗散功率比较大 PCB 板中使用。

设备中设置电源模块，在箱壁没有导轨槽、开孔等结构平面处，充分使用机箱壁，使电源模块和箱壁紧贴安装，从而增大导热面积，降低中间导热环节，降低热阻，并且使散热效率得到提高，充分使用空间，压缩机箱体积。

3 散热器的设计

在设计散热器过程中，要对电子设备结构风压、成本、加工工艺、散热效率等条件全面考虑。散热器助片要求薄，但是会导致在加工过程中出现问题。肋间间距缩小，会增加散热面积，但会造成风阻增加，对散热造成影响。增加肋片高度能够增加散热面积，以此使散热量增大。但是针对等截面直肋，增加肋片高度到一定程度之后，传热量就不会增加，如果肋高继续增加，会降低肋片效率，使风阻增加。

充分考虑以上原则，本文利用铝板散热器，翅片长度设置为 300 mm。因为功放模块是主要发热模块，其他可以忽略，主要考虑设置功放散热器的肋高。通过 Icepak 软件 trials 功能设置肋高、肋片间肌、厚度，之后设置变量值，Icepak 对肋间距、厚度、肋高计算不同值时候的模型求解结果，功放模块肋高设计为50 mm，肋厚设计为 6 mm，其他模块肋高设计为 20 mm 的时候结构最优。最后，为了降低散热器与功放模块的接触热阻，需要保证接触面加工精度，并在接触面中涂抹导热硅脂。

4 风机的选择

为将散热器热量带走，设计选用风机。利用风机在设备外排风，将所有发热量带走，热平衡方程表示为：

公式中的 Q 指的是设备发热量，L指的是冷却空气热量，Cp指的是空气比热，p指的是空气密度，△t指的是冷却空气出口与入口的温升。

设备空气密度为1.13 kg /m3 ，总发热量为0.7 kW，设置空气比热 1.009 kJ/( kg·℃ ) ，温升设置10 ℃。在热平衡方程中代入上述值的结果为 0.0614 m3 /s。上述计算风量的公式指的是热量带走风量，因为设备具有较大的功放模块与电源模块，风量也比较大。3 个并联风机能够对设备进行抽风冷却，最大风量与最大静压分别为 0.052 m3 /s 和 61.28 N/m2。因为存在风阻，导致风机无法在最大风量中工作，风机工作点要比最大风量小。根据强迫风冷的设计经验，提高风机工作效率能够增强散热效果。

5 结语

在实现电子元器件和设备结构热设计的过程中，要对电气元器件和设备传热方式进行分析，对电气元器件热环境等因素进行考虑。基于此设计相关参数，最终使用合适方法实现热设计。经过仿真验证，此设备工作性能稳定，能够满足用户对于设备高可靠性的要求。

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