熱管散熱在大功率電源系統(tǒng)中的運(yùn)用

吳曉亮  (河北匯能電子技術(shù)有限公司．河北石家莊050035)
摘要：大功率軍用電源系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠運(yùn)行，起著極其重要的作用。本文以一個(gè)設(shè)計(jì)案例為基礎(chǔ)。通過對(duì)系統(tǒng)整體散熱方式的選擇，到具體從模塊散熱形式的確定，概括的作了介紹。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)}熱管散熱；風(fēng)冷設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Heat pipe heat design in a high。powered power supply system of use

1 引言
如何保證電子設(shè)備的長時(shí)間可靠運(yùn)行，在電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的今天，一直是個(gè)難題。雖然造成電子設(shè)備故障的原因很多。但是高溫是其中最重要的因素，溫度對(duì)電子設(shè)備的質(zhì)量影響高達(dá)60％。
隨著微電子技術(shù)及組裝技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)備正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的高度集成系統(tǒng)。電子設(shè)備熱流密度地越來越高，日益成為系統(tǒng)穩(wěn)定工作和性能提升的絆腳石。數(shù)據(jù)顯示，45％的電子產(chǎn)品損壞是由于溫度過高。
可靠性研究表明：如圖1所示一種數(shù)字裝置失效率與溫度之間的關(guān)系。隨著溫度增加，元器件失效率呈指數(shù)增長，嚴(yán)重影響設(shè)備可靠性。
2系統(tǒng)散熱形式
為保證元器件能長時(shí)可靠工作，必須根據(jù)元件芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定一個(gè)最高允結(jié)溫，記為Timax。在為電子元器件和電子設(shè)備選擇散熱或冷卻方法時(shí)，元器件的最高允許結(jié)溫是最重要的參數(shù)。硅器件塑料封裝最高允結(jié)溫為125℃～150℃。
在實(shí)際工作中。元器件的結(jié)溫是無法測(cè)量的．但是元器件的表面溫度容易測(cè)量，于是通過試驗(yàn)獲得對(duì)應(yīng)于從元件表面到環(huán)境的溫升△T。一．的故障率，并以此作為元器件和設(shè)備熱設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo)。

2．1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
1)電源系統(tǒng)所用供電模塊，要求具有電磁兼容設(shè)計(jì)和密封防潮設(shè)計(jì)。
2)整體系統(tǒng)由6個(gè)模塊單元組成。具有N+1備份和容量冗余設(shè)計(jì)。單個(gè)模塊熱功耗230W。
3)系統(tǒng)要求便于運(yùn)行維護(hù)，可野外無人值守，體積小重量輕(便于安裝搬運(yùn))
4)系統(tǒng)工作溫度范圍一40℃---55℃；模塊高溫保護(hù)溫度90℃。
2．2散熱方案的確定
根據(jù)系統(tǒng)工作溫度要求，很容易計(jì)算出元件表面到環(huán)境的溫升△T，。為35℃左右。
計(jì)算公式為：
△T。一。一T。一T。=90℃一55℃=35℃
因?yàn)橄到y(tǒng)要求便于運(yùn)行維護(hù)，且可野外無人值守，所以暫考慮使用自冷或風(fēng)冷方式。因?yàn)橐豪浞绞皆黾恿艘后w循環(huán)系統(tǒng)，使系統(tǒng)較復(fù)雜且增加了維護(hù)成本。
參考溫差△T。一。與各種冷卻方法及熱流密度的關(guān)系曲線，可以初步確定，如果模塊的熱流密度在0．1W／cm2左右，可考慮使用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。
因?yàn)橐阎獑蝹€(gè)模塊熱功耗230W，理論上只要單個(gè)模塊散熱面積>2300cm2即可。
散熱面積=230／0．1=2300cm2
又因?yàn)槟K功率密度大，熱源集中，而且要求殼體密封，內(nèi)部熱量無法通過傳統(tǒng)散熱方式(傳導(dǎo)，對(duì)流。輻射)有效散熱。考慮內(nèi)部使用熱管散熱技術(shù)，將模塊熱源導(dǎo)出到附加散熱片，以增大散熱面積降低熱流密度。
3熱管散熱器的設(shè)計(jì)
熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，導(dǎo)熱能力比普通金屬高幾百倍。據(jù)相關(guān)資料表明．高質(zhì)量熱管的傳熱效率是銅的1490倍，傳遞速度可達(dá)30m／s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界上任何導(dǎo)熱金屬和傳熱技術(shù)，能到達(dá)瞬時(shí)傳熱的效果
熱管只是一種導(dǎo)熱裝置。并不是一種散熱裝置，要將熱管應(yīng)用到散熱方面，必須在熱管的散熱端安裝一定的散熱裝置。如圖3所示如果單純的將熱管和發(fā)熱體相連，只能達(dá)到一個(gè)熱量聚集的效果，并不能實(shí)琬熟量散發(fā)的功能。熱管的工作原理在相關(guān)的資料中都可找到這里不作詳解。

散熱器首選熱導(dǎo)率高的鋁板或銅板，考慮到性價(jià)比，模塊選用矩形直肋鋁材料做散熱片，散熱面積2830m2。鋁外殼內(nèi)表面涂漆或鋁表面陽極化，可以增加印制電路板到外殼壁的輻射傳熱量。其散熱面積>2300cm2所以滿足強(qiáng)迫風(fēng)冷的要求)

4 系統(tǒng)風(fēng)冷散熱的設(shè)計(jì)
印制電路板和功率器件(熱源)被密封在金屬盒內(nèi)，然后再把這些盒子裝在大型機(jī)柜中。金屬外殼使射頻干擾和電磁干擾減至最小，也防礙了直接通風(fēng)冷卻。元件產(chǎn)生的熱量必須通過內(nèi)部傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的綜合作用傳到密封外殼的內(nèi)壁。然后這些熱量必須通過密封外殼的各壁以對(duì)流或某些輻射方式傳遞到外部環(huán)境。
4．1風(fēng)量的計(jì)算設(shè)計(jì)
4．2風(fēng)機(jī)的選擇
在電子設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷中，在采用單臺(tái)風(fēng)機(jī)達(dá)不到溫升控制的要求時(shí)，可采用幾臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)和串聯(lián)聯(lián)合工作來達(dá)到對(duì)的要求。這里采用風(fēng)機(jī)并聯(lián)來增加風(fēng)量
4．3風(fēng)道的設(shè)計(jì)
由于空氣具有質(zhì)量和動(dòng)能，要降低其流動(dòng)阻力，要使其具有較好的流態(tài)。當(dāng)風(fēng)機(jī)置于風(fēng)道口后方時(shí)，空氣流經(jīng)路徑較長。提高了流速，有利于形成全展開流

風(fēng)道在設(shè)計(jì)過程中要注意以下幾點(diǎn)：
1)風(fēng)道要短而直。必須采用彎頭時(shí)。應(yīng)盡可能加大彎頭半徑，以減少局部的阻力損失。
2)風(fēng)道截面的形狀盡可能與被冷卻設(shè)備(機(jī)箱)的形狀相一致，避免風(fēng)道截面的突然改變。
3)在結(jié)構(gòu)尺寸允許范圍內(nèi)，選用大截面風(fēng)道。風(fēng)道截面增大可減少阻力損失，同時(shí)可降低風(fēng)機(jī)的噪聲。
4)風(fēng)道內(nèi)壁應(yīng)光滑，以減少氣流流動(dòng)的摩擦阻力。當(dāng)風(fēng)道中需安裝過濾網(wǎng)時(shí)，在過濾效果和流阻之間應(yīng)予權(quán)衡。
5結(jié)論
大功率系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，需要兼顧考慮多種因素。在設(shè)計(jì)之初正確地選擇散熱方式，是成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中常會(huì)用到冗余設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诳煽啃砸髧?yán)格的軍工行業(yè)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要比經(jīng)濟(jì)效益更加看重。風(fēng)冷方式較之液冷方式是一種較經(jīng)濟(jì)的散熱設(shè)計(jì)，熱管的使用，使封閉模塊內(nèi)集中的熱源可以高效地轉(zhuǎn)移到殼外，再配以散熱片，使風(fēng)冷設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

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