第2章 电子设备的热设计

散热是保证电子设备能安全可靠工作的重要条件之一。电子设备在工作时，它的输出功率只占设备输入功率的一部分，其损失的功率一般都以热能的形式散发出去。尤其是一些功耗较大的元器件，如变压器、大功率晶体管、电力电子器件、大规模集成电路和功率损耗大的电阻等，实际上它们是一个热源，使产品的温度升高。另外，电子设备的温度与环境温度有关，环境温度高，电子设备的温度也高。由于电子设备中的元器件都有一定的工作温度范围，如果超过其温度极限，就将引起电子设备工作状态的改变，缩短使用寿命，甚至损坏，因而使电子设备不能稳定可靠的工作。

电子设备的散热设计就是根据热学的基本原理，采取各种散热手段，使产品的工作温度不超过其极限温度，从而保证电子设备在预定的环境条件下稳定可靠的工作。应当指出的是电子设备除散热外，有些有特殊要求的产品需要恒温、增温及制冷的设施，本章也将作简要介绍。

2.1 电子设备的热设计基本原则

2.1.1 电子设备的热设计分类

对电子设备进行合理的热设计是促进电子设备向前发展的重要前提之一。近年来，由于电子技术的迅速发展，单位体积内所产生的热量不断增加，而其有效的散热面积却相应减小，这就使其热设计尤为重要。

电子设备（或元器件）产生的热量可以用各种冷却方法单独地或由几种冷却方法联合将热量从电子设备中（或元器件上）带走，或传送到电子设备外的周围介质中去。为此，电子设备热设计者对各种冷却方法的优缺点必须有深入的了解。而最佳冷却方法的确定还要借助定量的分析计算。

电子设备冷却系统可以按下列几种基本原则分类：

（1）按冷却剂与被冷却元件之间的配置关系分

① 直接冷却。这种方法是冷却剂进入电子设备后，直接与被冷却元器件相接触，将元器件的热量带走，达到冷却的目的，如图2-1所示。

② 间接冷却。产品内部的冷却剂（换热介质）通过发热元件，将接收到的热量传到产品的外部热交换器（散热器），再由外部冷却剂将热量散出，如图2-2所示。

（2）按传热机理分

按传热机理分有自然冷却、强迫冷却、蒸发冷却和其他冷却方法。这种分类方法可按内部传热的机理及热交换器的形式分得更细。

2.1.2 电子设备的热设计基本原则

对电子设备进行合理的热设计是为了用较少的冷却代价获得高可靠的电子设备。因此，在热设计前必须首先了解下面几个问题：

（1）电子设备（包括发热元器件）的热特性

热设计的主要参数包括各个元器件（产品）的发热功率、发热元器件（或产品）的散热面积，以及发热元器件和热敏元器件（或产品）的最高允许的工作温度及环境温度等。电子设备冷却方法的确定及冷却介质流量的估算主要取决于这些数据的精确性。这些数据一般由元器件制造厂提供，当这种资料不足时，设计者必须进行估算或由实验来确定各个参数。在元器件排列之前，可将产品内的所有元件的热特性列成一个表格。这样，结构上的排列便可根据元器件的电气性能和热特性综合进行考虑。

（2）元器件（或产品）的环境温度

热设计者应该知道电子设备（或元器件）所处工作环境（例如，空用、海用、地面和室内设备等）的温度。

通常以元器件（或产品）的环境温度及元器件（或产品）的最高允许温度作为冷却系统中冷却剂进出口温度，并以此作为进行热设计时初步估算的参考数据。热设计必须满足两个条件：把产品的温度限制在某一最大和最小的范围内；尽量使电子设备内各点之间的温差最小。因此，热设计的基本原则如下：

① 保证冷却系统具有良好的冷却功能，即要保证电子设备内的元件均能在规定的热环境中正常工作。根据产品的热损耗值、用途及温升等要求来确定冷却方法。元器件的配置必须符合散热的要求，在热回路中，元器件的发热表面到连接物之间的热阻（热量传递过程的阻力）应尽量小，使元器件在允许温度下工作。

② 对密封电子设备，必须同时考虑内部和外部的两种热设计方案，使其从内部向外部传热的热阻减至最小。

③ 保证冷却系统工作的可靠性。不管环境如何变化，冷却系统必须能以重复的和预定的方式完成所规定的功能。在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应比元器件的故障率低。因此，在冷却系统中要装有安全保护装置，例如，流量开关、温度继电器和压力继电器等。

④ 冷却系统要具有良好的适应性。因此，设计中对可调性必须留有余地，因为有的产品在工作一段时间后，由于某些因素的变化，引起热耗散或流体流动阻力的增加，要求增大其散热能力，以便无须多大的变更就能增加其散热能力。为了保护工作人员及产品的安全，从冷却系统排出的废气不能有过多的毒性、腐蚀性和易燃物等。

⑤ 冷却系统要便于维护，便于测试、修理和更换元件。

⑥ 冷却系统的设计要有良好的经济性，使其成本只能占整个产品成本的一定比例。

设计一个较好的冷却系统必须综合各方面的因素，使其既能满足冷却要求，又能达到电气性能的指标，所用的冷却代价最小，结构紧凑，工作可靠。而这样一个冷却系统往往要通过一系列的技术方案论证之后才能得到。这里要遵循的原则是：最佳的热设计应是能满足技术要求的最简单的方案。

2.1.3 电子设备冷却方法的选择

电子设备的冷却方法取决于产品总的热损耗与其集中程度、元器件（或产品）的允许温度以及元器件（或产品）的环境温度等。由于选择冷却系统时要考虑的因素比较多，因此选择的方法也各有不相同。目前用的比较多的方法是根据电子设备的热流密度，表面散热功率系数，或体积发热功率系数来确定。

表面散热功率系数是指在单位面积（所有能参与散热的面积）内，所能散发出去的功率大小。它可用来选择密封产品内的元器件及产品外部散热方式。

体积发热功率系数是指在单位体积内发热功率的大小。

图2-3给出了温升为40℃时表面散热功率系数和体积发热功率系数的值。同一种冷却方法用于以表面散热为主的整机比用于冷却元器件更为有效。这是因为在布置电路元器件时，需要采取某些折中方法，从而使元器件的冷却更为困难。

由于各种产品（或元器件）的温升要求不同，因此很难定出一种适用于所有电子设备冷却方法选择的准则。目前在一些发热功率不太大，而且温升要求不太高的电子设备中，比较广泛地采用了自然对流冷却。在一些发热功率比较大，温升要求比较高的产品中，采用强迫通风冷却的散热方法，这种方法与液体冷却和蒸发冷却相比较，具有产品简单、成本低的特点。因此，尽管强迫通风冷却系统的体积和重量大些，但对要求不十分严格的一般产品来说还是十分合适的。

应该指出，热流密度不能作为确定散热方式的唯一标准，因为产品本身的散热能力、内部元器件布置合理与否、产品内部有无热敏元件等都对散热形式有一定的影响。因此，在确定电子设备的冷却形式时要全面衡量，以便得出一个比较经济有效的冷却方案。