散熱設計方法的案例
專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程課程
在全環化的運營環境背景中，電子產品同時又具有市場周期短、產品競爭激烈的特點，這使得快速高效的熱管理技術需求越來越迫切，企業如何高效地確定產品的散熱方案成為重中之重。
在產品設計初期，因產品的快速設計需求，正向的理論設計計算可以在幾小時內給出設計方案?；谡虻睦碚摶?通過建立產品理論計算模型進行方案的理論與可行性評估遴選，設計后期再通過測試確定方案效果的研發模式已經被很多企業采用。
顯然，基于正向的理論計算化的熱設計方法，可以以極快的速度完成產品的散熱設計工作，來獲得產品熱設計所需的準確信息。同時，由于其設計過程中不需消耗硬件資源，基本上沒有成本產生。因此可以說，正向理論方式的熱設計方法是一種快速高效低成本的產品開發模式，這使得正向理論的散熱設計方法被廣泛用于預測電子產品（器件）可靠性的溫度和故障確定最有效的方法。
第1章從產品熱設計的要求與方法開始。第2章為熱設計專業術語與理論計算，從熱設計基礎的各物理量理論知識原理到詳細的理論計算。第3章為熱傳導與傳熱機理，介紹了熱力學相關基礎知識。第4章介紹了與熱力學相關的流體相關基礎知識。第5章介紹了各類型散熱器制造工藝。第6章介紹芯片的封裝熱阻，對芯片的封裝熱阻部分做了全面的論述。第8章介紹散熱器擴散熱阻，從理論層面對散熱器底板與芯片的尺寸做匹配設計。第9-11章介紹了散熱風扇、熱管、VC等選型方法與應用原則。第12章介紹了產品的自然對流散熱設計的理論知識原理到詳細的理論計算方法。第13-14章針對不同類型的散熱片結構，介紹了產品的強制（風冷）對流散熱設計的理論知識原理到詳細的理論計算方法。第15章介紹了水冷板產品的對流散熱設計的理論知識原理到詳細的理論計算方法。第16章介紹了機箱類產品的系統級的散熱設計理論知識原理到詳細的理論計算方法。
展開 電子設備熱設計方法概要介紹
眾所周知，電子設備散熱設計方法主要是數值分析和實驗驗證。包括熱傳遞相關性，網絡建模（FNM）和計算流體動力學（CFD）技術以及實驗測量。這種方法的主要應用各種設計工具，每種工具都在產品設計周期的最佳點使用。因此，在設計的最初階段，速度至關重要時，可以大大減少分析時間，而在準確性和細節上可以做出犧牲。當設計確定后，變更較少且目標是優化/驗證時，在開發周期的后期進行詳細分析，以提供更高的準確性。通過這種方式，可以在整個產品設計周期中系統地降低熱風險。
盒式自然散熱產品散熱設計和熱仿真方法 ￥29.9
對于室內封閉的盒式自然散熱產品，熱量終歸要全部通過外殼散失到空氣中去。目前絕大多數電子產品，仍然采用自然散熱設計。本文檔以一個盒式設備為例，從需求分析，到中間各環節的散熱方案改進做了詳細闡述，并列示了這類產品熱仿真設置關鍵注意事項。
文檔還論述了一種新型散熱方案的巨大優勢。
看了想學系列 | 電力電器散熱的快速設計方法
分析結果
經過計算，用某電力電器中有個40W的發熱器件，在器件上需要設計一個散熱器。通過快速仿真，散熱器翅片高度10mm時器件最高溫度為93.99℃；翅片高度15mm時器件最高溫度為83.92℃；翅片高度20mm時器件最高溫度為76.83℃。三個方案從幾何模型修改到得到仿真結果，總耗時不超過5分鐘。如果需要優化這個散熱器散熱設計方案，可以結合不同材料或者翅片尺寸形狀進行方案對比設計，快速得到合理可行的尺寸參數，因而在設計初期就能使產品設計基本上是合理的。
圖2 不同散熱器翅片高度的溫度分布圖
應用價值
通過快速仿真，在概念設計階段就可有效屏蔽不合理的方案，在產品性能驗證之前發現問題，在設計周期的早期排除不良設計，從而加速研發進度?？梢娍焖俜抡嬖陔娏﹄娖鳟a品的概念設計階段中發揮著不可或缺的作用。
展開 
基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設計
基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設計
楊雄鵬1，周曉東2，陳長安2，蔡蕭3
（1西安交通大學，陜西西安 710049；2特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安 710065）
摘要：在電力電子設備小型化的趨勢下，有限空間的散熱設計成為產品可靠性設計的關鍵瓶頸。本文以小功率光伏逆變器的散熱設計為例，首先提出了Flotherm軟件仿真的基本思想和基本理論，介紹了散熱器優化設計和整機系統熱仿真分析，包括多方案篩選優化。通過CFD數值仿真與工程樣機實測數據對比，分析評估完全滿足工程設計要求，達到了產品可靠性設計的目的。文章也介紹了海拔對散熱的影響和修正。較好的驗證了基于Flotherm軟件分析的電力電子設備散熱設計的優勢和可靠度。
關鍵詞：系統熱分析；方案篩選；熱阻；結溫
中圖分類號：
Heat dissipation design of small power photovoltaic inverter based on
analysis of Flotherm
YANG Xiong-peng1, ZHOU Xiao-dong2, CHEN Chang-an2 ,CAI Xiao3
（1 TBEA Xi’an Electric Technology Co.
展開 AI賦能電子散熱設計，迅速識別熱風險，實現散熱設計優化（內含干貨直播）
</strong></p><h3><strong>直播內容簡介</strong></h3><p>●<strong>直播時間：</strong>9月25日 19:30</p><p>●<strong>講師介紹：</strong>劉霽鑫</p><p> Cadence熱仿真工具資深技術支持工程師，負責Cadence Celsius仿真工具的推廣與技術支持，為消費電子、通訊電子、汽車電子等領域的客戶提供從芯片級、封裝級、板級到系統級全尺度的熱解決方案，在散熱設計領域有多年行業經驗與技術積累。</p><p>●<strong>直播內容：</strong></p><p> Cadence Celsius Studio提供完整的用于電子系統的AI散熱設計和分析解決方案，可用于PCB及產品系統的電子散熱設計、芯片封裝的熱與熱應力分析。</p><p> 本次直播主要介紹Celsius Studio的相關功能模塊，及其典型應用場景，包括多物理場分析能力，多尺度分析方法，與其他工具集成實現設計內分析，以及AI賦能仿真優化。</p><p> 針對當前的熱設計挑戰，Celsius 還可以協助設計人員迅速識別熱風險，實現散熱設計優化。
展開 基于Simdroid電子散熱模塊的電子設備機箱散熱設計與優化
一、背景介紹
熱設計就是通過合理的散熱方式保證良好的熱環境，確保電子設備可靠的工作。隨著電子技術的迅速發展，電子設備的結構越來越復雜，且越來越趨于小型化，散熱問題成為了影響設備可靠性的重要因素。據統計，電子設備有超過一半的故障是由過熱引起的，并且故障率會隨溫度升高成指數式增長。為了有效避免電子設備機箱內溫度過高，影響電子器件正常工作，在結構設計時就需要考慮散熱。傳統方法是根據指標要求和工程經驗設計出樣品，做出樣機后用環境試驗測試，根據測試發現的問題進行設計改進，不斷循環得到合格產品，其研制周期和成本都普遍較高。
圖1 典型電子設備機箱結構（圖片來自網絡）
機箱機柜裝配了大量電控組件，這些組件在使用過程中散發大量熱量，如果不及時有效地將這些熱量散發到環境中，將導致設備內元器件或部件溫度過高，影響設備運行性能，甚至引發器件損壞，降低整體設備的穩定性和壽命。目前電子設備的散熱方式可分為自然散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱電制冷和熱管冷卻等。
風冷散熱一般指采用風扇、空調等設備對機箱機柜進行散熱，其主要特點：
（1）風冷系統簡單可靠、安裝方便、故障率低，在北方部分城市的冬季還可以利用自然冷源對機柜進行散熱；
（2）風冷散熱的本質是將設備產生的熱量轉移到環境中，成本遠低于其他散熱方式；
（3）散熱效率相對較低。風冷散熱通過機箱內散熱器及外表面對機箱內電子設備散熱，散熱效率較低；
（4）散熱風扇噪聲較大，影響使用者體驗。
圖2 典型風冷系統結構圖（圖片來自網絡）
液冷冷卻通常是指利用液體冷卻介質對機柜進行冷卻，液冷冷卻系統通常包括直接水冷系統、水冷背板系統和環路熱管系統等，其主要特點：
（1）散熱效率高。液冷散熱功率可達200 W/cm2，是風冷散熱的20 倍；
（2）噪音低。
展開 Altair ProductDesign幫助完成產品散熱系統設計陶瓷簡化LED內部散熱系統
行業：電子消費品
挑戰：在 LED 工作環境下，如何選擇 散熱面和熱管理系統，從而促 進產品設計
Altair 解決方案：Altair ProductDesign 開發了 基于計算流體動力學的仿真流 程，實現散熱管理和優化設計
優點：實現基于新型先進陶瓷材料的 新設計理念的成功應用。
背景介紹
散熱問題已成為限制LED作為光源廣泛應用的瓶頸。改善LED散熱性能的方法主要 集中在散熱器而非LED與散熱面之間的間距與隔熱結構上。最近，AltairProductDesign 為CeramTecAG公司提供的一個咨詢項目中提到：設計理念和材料的改變將在熱管理、產品可靠性以及系統簡化上發揮重要的作用。項目指出，應用陶瓷作為散熱器、載波電 路和部分結構的材料為克服傳統產品弊端提供了可能。為此，AltairProductDesign開發了一種基于計算流體力學支持熱能優化的仿真流程和相關技術產品。
應用陶瓷作為散熱器、電路載體和部分結構的材料幫助CeramTecAG公司克服傳統產品弊端并實現了LED的創新概念設計。通過基于計算流體動力學的仿真實現散熱管理和技術產品的優化設計。
下面案例研究，我們將展示這種新理論的應用，驗證概念設計合理性并描述應用陶 瓷散熱器所獲得的性能改善。
挑戰
眾所周知，LED是一種高效的光源并因其較小的體積而被人們所喜愛。如果不考慮其熱管理機構，LED確實可以設計的很小。白熾燈光源工作溫度可達2500°C。與之相反，LED的工作溫度要低的多。即便如此，以半導體為原材料的LED工作時仍然 會釋放大量的熱量，而半導體所能承受的溫度低于100℃。根據物理學研究顯示，熱能將傳遞到周圍區域。
展開 PCB散熱的10種方法！
因此，對電路板進行很好的散熱處理是非常重要的。PCB電路板的散熱是一個非常重要的環節，那么PCB電路板散熱技巧是怎樣的，下面我們一起來討論下。
01
通過PCB板本身散熱目前廣泛應用的PCB板材是覆銅/環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材，還有少量使用的紙基覆銅板材。
這些基材雖然具有優良的電氣性能和加工性能，但散熱性差，作為高發熱元件的散熱途徑，幾乎不能指望由PCB本身樹脂傳導熱量，而是從元件的表面向周圍空氣中散熱。
但隨著電子產品已進入到部件小型化、高密度安裝、高發熱化組裝時代，若只靠表面積十分小的元件表面來散熱是非常不夠的。
同時由于QFP、BGA等表面安裝元件的大量使用，元器件產生的熱量大量地傳給PCB板，因此，解決散熱的最好方法是提高與發熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能力，通過PCB板傳導出去或散發出去。
展開 熱設計的重要性以及PCB電路板散熱設計技巧
往往設計過程中要達到嚴格的均勻分布是較為困難的，但一定要避免功率密度太高的區域，以免出現過熱點影響整個電路的正常工作。如果有條件的話，進行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能指標分析軟件模塊，就可以幫助設計人員優化電路設計。
四、總結
3.1 選材
（1）印制板的導線由于通過電流而引起的溫升加上規定的環境溫度應不超過 125 ℃（常用的典型值。根據選用的板材可能不同）。由于元件安裝在印制板上也發出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設計時應考慮到這些因素，熱點溫度應不超過 125 ℃。盡可能選擇更厚一點的覆銅箔。
（2）特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。
（3）采用多層板結構有助于 PCB 熱設計。
3.2保證散熱通道暢通
（1）充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導出 PCB。
（2）散熱通孔的設置 設計一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。如在 LCCC 器件的焊盤上設立導通孔。在電路生產過程中焊錫將其填充，使導熱能力提高，電路工作時產生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設置的銅泊散發掉。在一些特定情況下，專門設計和采用了有散熱層的電路板，散熱材料一般為銅/鉬等材料，如一些模塊電源上采用的印制板。
（3）導熱材料的使用 為了減少熱傳導過程的熱阻，在高功耗器件與基材的接觸面上使用導熱材料，提高熱傳導效率。
（4）工藝方法 對一些雙面裝有器件的區域容易引起局部高溫，為了改善散熱條件，可以在焊膏中摻入少量的細小銅料，再流焊后在器件下方焊點就有一定的高度。使器件與印制板間的間隙增加，增加了對流散熱。
展開 基于溫度場仿真的干式變壓器散熱設計
干式變壓器自身的熱輻射功能，當溫度達到穩定后，散熱需要通過熱輻射進行。表達式為：
Φ=S·σ·T
式中，S表示輻射表面積；σ表示輻射常數；T表示物體熱力學溫度。
2 有限元在流體溫度場的使用
有限元分析需要利用計算機實現數值近似和離散化，并對物理系統進行模擬，解決熱傳導、電磁場、流體等問題。有限元方法采用一種取近似值的方式對存在的物體進行模擬，在建立模型后，會進行數量有限與結構單元的劃分，各個單元之間存在著密切的聯系，為了保證單元的真實性，利用有限元分析的方式將復雜的問題進行分解處理，最終實現復雜問題的求解。對于簡單的問題，可以使用有限元方法進行單元節點的分解，并且會將這些節點所途經之地連接成子域。如果不同的單元之間都存在相似，需要有一個共同的求解結果，將復雜的問題簡單化。有限元分析方式主要根據結構力學，將復雜的物體進行分解為不同的數量單元，這些數量單元所經過的所有節點都可以將物體分解為有限單元，這種分解方式又稱為離散。
在利用有限元方法進行求解問題的過程中，需要根據實際情況對不同的節點進行分析，并實現方程的創建和整體數量的采集與分析。離散到整體的過程，就是將復雜的問題簡單化的過程。
有限元分析的應用范圍廣泛，上到航天下到工程。在工程設計和科研領域中，有限元分析可以解決大多數的復雜工程。在干式變壓器的設計中，利用有限元分析的方法進行熱平衡方程的創建，并對物體的內部節點溫度進行計算，對存在測量難度的溫度點進行測量，獲取最佳的熱點位置并進行耦合。該研究主要針對干式變壓器的溫度場分布特性，因此通過有限元分析，對溫度場中的主要步驟進行分解，其主要思想如圖1所示。
展開 
高熱密度板卡模塊高效散熱設計研究
根據以上的元器件布局思路，對主控板器件布局方案進行如下設計，如圖2所示。
3.6 導熱路徑設計
由于板卡模塊上的功率器件均通過散熱冷板進行散熱，因此高效的導熱路徑設計對功率器件散熱及板卡模塊整體散熱將起到關鍵作用，采用以下方案：
1）優先選用導熱系數較高的導熱塊和導熱墊；
2）將主控板上的大功耗器件（>2 W）的熱量傳導至模塊散熱冷板上；
3）對于FPGA、PowerPC等高功耗重要器件，使用超高導熱效率材料（如熱管），將芯片熱量傳導至散熱冷板的冷端[6]。
根據以上設計思路，對主控板主要功率器件導熱路徑進行如下設計，將主要功率器件與導熱塊貼合，再通過熱管將功率器件熱量快速傳導至散熱冷板的冷端，實現均衡熱量分布并高效散熱的設計目的，如圖3所示。
3.7 散熱冷板設計
正面散熱冷板、背面散熱冷板做為板卡模塊主要散熱組件，板卡模塊上的主要功率器件將熱量傳導至散熱冷板，通過流經冷板的冷風流帶走熱量進行散熱為主，同時通過輻射散熱為輔。
圖2 主控板功率器件布局示意圖
圖3 模塊導熱設計示意圖
圖4 典型功耗下板卡模塊整體熱仿真云圖
為科學計算散熱冷板所需提供的散熱翅片面積，可利用功耗計算公式（1）進行計算推導。
式中：
P—散熱冷板對應功率芯片總發熱功耗；
h—散熱冷板表面對流換熱系數；
A—散熱冷板對應總發熱功耗P所必需的散熱翅片面積；
Ths—散熱冷板溫度；
Ta—流經散熱冷板的冷空氣溫度[7]。
上述公式（1）中，P可根據功率芯片布局和表1得出；散熱冷板與冷空氣之間的溫差ΔT（即Ths-Ta），根據實際工程應用經驗，通常為（15～25）℃，可取典型值20℃；對流換熱系數h，根據強迫風冷的經驗值估算，可設定為40 W/（m2·K）。
展開 電子產品PCB電路板散熱的方法
設備內印制板的散熱主要依靠空氣流動，所以在設計時要研究空氣流動路徑，合理配置器件或印制電路板。
在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時對其他器件溫度的影響，如下所示：
3
添加散熱器
若PCB自身散熱效果不好，可在發熱器件上加散熱器或導熱管，當溫度還不能降下來時，可采用帶風扇的散熱器，以增強散熱效果，將散熱罩整體扣在元件面上，與每個元件接觸而散熱，如下所示：
如果有條件的話，進行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能指標分析軟件模塊，就可以幫助設計人員優化電路設計。
展開 如何利用PCB設計改善散熱
g、將功耗最高和發熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。不要將發熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置。在設計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件，且在調整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。
h、元器件間距建議：
10種簡單實用的PCB散熱方法
07
設備內印制板的散熱主要依靠空氣流動，所以在設計時要研究空氣流動路徑，合理配置器件或印制電路板。
空氣流動時總是趨向于阻力小的地方流動，所以在印制電路板上配置器件時，要避免在某個區域留有較大的空域。
整機中多塊印制電路板的配置也應注意同樣的問題。
08
對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區域(如設備的底部)，千萬不要將它放在發熱器件的正上方，多個器件最好是在水平面上交錯布局。
09
將功耗最高和發熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。不要將發熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置。在設計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件，且在調整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。
10
避免PCB上熱點的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PCB表面溫度性能的均勻和一致。
往往設計過程中要達到嚴格的均勻分布是較為困難的，但一定要避免功率密度太高的區域，以免出現過熱點影響整個電路的正常工作。
如果有條件的話，進行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能指標分析軟件模塊，就可以幫助設計人員優化電路設計。
文章來源熱設計
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