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)溫是無法測量的．但是元器件的表面溫度容易測量，于是通過試驗(yàn)獲得對應(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)，對流。輻射)有效散熱?？紤]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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