电子设备热设计中的不确定性-上海坤道信息技术有限公司.PDFVIP

电子设备热设计中的不确定性 w w w . s i m u - c a d . c o m 电子设备热设计中的不确定性 摘要: 热设计是电子设备设计的关键环节，而且产品的热性能是一个系统性的问题。不同元件，使用环境，甚至工作状 态的改变都会影响其散热性能，从而引起温度变化。本文根据一些工程实例和分析计算，总结了影响电子设备 热设计的各种不确定性因数，并提供了大量参考数据，希望能为工程师全面准确地进行热设计工作提供帮助。 前言： 现今电子设备呈现出体积小巧化、热功耗不断上升以及使用环境多样化的趋势，这都对电子设备的热设计提出了 极大的挑战。存在热设计缺陷的电子设备可能会对企业造成极大的经济影响和负面效应。之所以会产生这种情 况，主要是在产品热设计过程中没有充分意识到热设计的重要性，以及对其中一些不确定因素的忽视。 通常电子设备热设计的不确定性因素可以分为以下几类：将随时间变化的物理量做时均化处理、忽略温度等因 素对材料物性的影响、简化数据的不正确使用、缺乏相关的热设计数据等。这些不确定因素往往会造成产品热 设计产生偏差，造成不必要的成本浪费或产生有缺陷的产品。本文以发热元件为出发点，将整个散热路径上所 涉及的元件逐一进行分析和讨论。热仿真和热测试作为产品热设计辅助和验证方法应用非常广泛，本文也对其 中可能存在的问题做一简单介绍。 1 元件 1.1 热功耗 电子设备热设计的一个主要目标就是降低元件的温度，而元件的温度很大程度上取决于它的热功耗。一般情况 下元件的热功耗是由电子工程师进行计算所得到。但很多时候热功耗会随时间和温度发生变化，并且很多元件内 部存在多个发热源，这些都会造成热功耗在计算时存在很大的不确定性。 1.1.1 热功耗随时间变化 在电力行业中，经常会用到 iGBt 和二极管这类用于整流和逆变的元件。iGBt 和二极管主要工作在开关状态，并 且周期性地经历各种静态和动态的状态。通常情况下 iGBt 的热功耗可以分为静态热功耗和动态热功耗。其中， 动态热功耗又取决于负载电流、直流母线电压、结温和开关频率。当负载电流为正弦波时，iGBt 的动态热功耗 不断地随着时间发生变化。在工程应用中，往往会将这样一个热功耗随时间变化的瞬态问题简化为稳态问题。常 用的方法就是在一个变化周期内对热功耗取平均。当负载电流的频率特别小的时候，可能会引起实际的 iGBt 峰 值热功耗与平均热功耗之间有较大差异。 图 1. 50 hz 周期性功耗和平均功耗下的元件温升 图 2. 5 hz 周期性功耗和平均功耗下的元件温升 w w w. s i m u - c a d .co m 2 [20 ] 电子设备热设计中的不确定性 1.1.2 热功耗随温度变化 很多元件的热功耗会随元件的温度发生变化。在开关电源产品中，经常会采用变压器等磁性元件。这类元件的热 功耗主要由铁芯热功耗和绕组热功耗构成。其中绕组的常用材料是铜或铝。而这两种材料的电阻率会随着温度 升高而升高。由于绕组的直流损耗等于电流有效值的平方乘以电阻，所以其直流损耗会随着温度增加，相应的绕 组热功耗也上升。一般铁芯热功耗首先会随着温度下降，之后再逐渐上升。 图 3. 某个铁芯材料温度与热损耗的关系 对于变压器的绕组，导线等元件，其主要发热量为导电体(铜或铝等)的焦耳发热，金属的电阻率温变系数大约为 0.004，即温度每升高 100K，金属发热量将增加 40%，因此这类元件在进行热设计时必须考虑发热量与温度的 耦合效应。 1.1.3 多个发热源 随着各类电子设备对于元件特性需求的日益多元化，可将数个芯片封装在一起的多芯片封装元件亦逐