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+4σSεTm3ΔT...(5)
S= Ss+St+Sb
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+4σSεTm3Δt+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，℃
σ－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＝4σSε(Ts4-Ta4)…………………….(7)
S－机箱的有效面积，m2
σ－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，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)
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。 中国热设计网:https://www.resheji.com
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。
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
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、PK10、陶瓷基片等质地比较硬
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：
5.5.2.7 PCB焊盘的隔热设计
较大的焊盘及大面积铜皮对管脚的散热十分有利，但在过波峰焊或回流焊时由于铜皮散热太快，容易造成焊接不良，必须进行隔热设计，常见的隔热设计方法如图7所示
5.5.6 安装PCB板的热设计原则
自然冷却条件下，对设备内有多块PCB板时，应与进风方向平行并列安装，每块PCB板间的间距应大于30mm，以利于对流散热。
5.5.7 元器件结温的计算
为保证元器件的安全散热，需要校核元器件的结温是否工作在安全温度下，首先得获得如下数据：元器件的耗散功率Q（额定值），结（junction）的安全工作温度范围Tjmax（最大值和推荐值），结至冷却空气热阻Rja，结至壳热阻Rjc，结至板热阻Rjb，封装方式，散热表面外形尺寸（以上参数一般在元器件供应商提供的用户手册中可以查到），PCB板的层数，流过元器件的空气温度和速度（由系统级估算获得）,工作结温按下式进行计算：
5.5.7.1元器件背有散热器
对于带铜板封装的大功率元器件(典型如TO－220/TO-247等)，其热量通过环氧表面 (通常为TOP面)、管脚及铜板共3个渠道传递出来，由于结到环氧表面、结到管脚的热阻较大，所以通过铜板的传热为主要的传热途径，如果铜板所贴的散热器热阻足够小且流过环氧表面的风速小于1m/s，则通过其它两种路径的传热基本可以忽略，在已知散热器台面温度Ts下 , 器件的工作结温为：
Tj=Ts+ PT³Rth(j-s) ≤0.8Tjmax……………………………(9)
PT---元器件的热损耗，W
Rth(j-s)----元器件结到散热器表面的热阻，℃/W
对于无铜板的塑封器件，其热量通过环氧表面 (通常为TOP面)、管脚共2个渠道传递出来，元器件不仅通过表面对流散热，还通过PCB板的导热传递热量。PCB的各层信号层、地层和电源层都铺有大面积的铜，综合的导热系数比较高，整个PCB板就象是一块大的平板散热器，具有热量均匀化的作用。所以应尽量减小结至板的热阻，如BGA封装有大量钢珠直接和板接触，热阻比QFP的封装方式小。一般较难计算散热量在这两条散热路径（表面对流与PCB导热）上的分配比例，但经验表明对于BGA和QFP这样的封装，表面无散热器时，PCB导热量将占总发热量的50%或以上，表面加散热器时，表面热阻大幅降低，则PCB导热量将减小为很小一部分。
5.5.7.2 元器件无散热器
如果已知结到环境的热阻，环境温度，则器件的工作结温为：
Tj=Ta+ PT³Rth(j-a) ……………………………(10)
5.6 散热器的选择与设计
5.6.1散热器需采用的自然冷却方式的判别
对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2可采用自然冷却。
对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2可采用自然冷却。
5.6.2 自然冷却散热器的设计要点
5.6.2.1考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
5.6.2.2自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。
5.6.2.3自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。
5.6.2.4由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于3mm以上。散热器基板厚度对散热器的热容量及散热器 热阻有影响，太薄热容量太小，太厚热阻反 图8 散热器基板厚度与热阻的关系曲线而增加，图8表示出了基板厚度的最 佳范围。对分散式散热来将，基板厚度一般为3-6mm为最佳。
5.6.2.5 自然冷却所需散热器的体积热阻为500-800℃－cm3/W(注意：表2只能作为初选散热器的参考，不能用它来计算散热器的热阻，散热器的实际热阻需按附录A提供的方法计算。)
5.6.2.6一定的冷却体积及流向长度下，按表5确定散热器齿片最佳间距的大小
表5 不同冷却条件及流向长度与散热齿片最佳齿间距的关系
5.6.2.7 不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率 如表3所示，尽可能选用成型简单的工艺以降低散热器的加工成本。
5.6.2.8 散热器的表面处理
安装元器件的散热器表面的光洁度Ra≤1.6μm，平面度对于0.1mm。
安装元器件的散热器表面不能进行拉丝处理。
表6 不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率
5.6.3 自然冷却散热器的辐射换热考虑
5.6.3.1如果物体表面的温度低于50℃，可忽略颜色对辐射换热的影响。因为此时辐射波长相当长，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，发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。
5.6.3.2 如果物体表面的温度低于50℃，可不考虑辐射换热的影响。
5.6.3.3辐射换热面积计算时，如表面积不规则，应采用投影面积。即沿表面各部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积，如图9所示。辐射传热要求辐射表面必须彼此可见。
5.6.4 海拔高度对散热器的设计要求
对于自然对流，其传热机理是由于冷却空气吸热后其密度减小，迫使重力场中的空气上升而形成冷热空气的对流而产生热量传递。由于随着海拔高度的增加，空气的密度逐渐减小，空气上升的能力也就减少，自然对流换热的能力减弱。自然对流换热能力的变化最终体现在对流换热系数的变化上，根据美国斯坦伯格的经验公式，如果忽略空气温度的变化，可按(11)式计算海拔高度对自然对流的影响强弱。
hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.5=hc(海平面) (p高空/p海平面)0.5 ..(11)
hc(高空)，hc(海平面)－分别为高空及海平面的自然对流换热系数，W/m.k
ρ高空，ρ海平面－分别为高空及海平面的空气密度，Kg/m2
p高空，p海平面－分别为高空及海平面的空气压力，帕斯卡
5.6.5 散热器散热量计算的经验公式
按照表7的计算公式计算自然对流换热系数。
表7不同安装条件下的自然对流换热系数计算公式
为了简化计算，忽略散热器的导热热阻，即假设模块的热量能够均匀传递到散热器的各表面，此时计算出的散热量为模块的最大散热量：
Q＝hc³F对流³△t³η……………………………………(12)
hc-----自然对流换热系数，w/m2.k
△ t---散热器台面允许温升，℃
F对流---对流表面积，m2
η---散热器齿片效率(%)
对直齿肋：
η=th(mb)/(mb)…………………..(12-1)
m=(2 hc/λδ0)0.5...………………….(12-1-1)
δ0：肋片根部厚度(m)
b: 肋高(m)
λ:导热系数，W/m.k
如果Q<[PD]，表明散热器的设计不满足散热要求，必须进行重新设计。
5.6.6强化自然冷却散热效果的措施
5.6.6.1尽可能增大散热面积，增大散热面积的途径有三种：
加大散热器尺寸。
增加散热器的齿片数，但不能太密。
5.6.6.2 散热器竖直放置，散热齿槽与气流方向一致。
5.6.6.3 优化热源的排列方式，使其长边与气流方向一致。
5.6.6.4 表面进行发黑处理。
热设计规范下载: 艾默生热设计规范.pdf
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