技术讲座--热设计基础
【技术讲座】热设计基础（一）：热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律
在开发使用电能的电子设备时，免不了与热打交道。“试制某产品后，却发现设备发热超乎预料，而且利用各种冷却方法都无法冷却”，估计很多读者都会有这样的经历。如果参与产品开发的人员在热设计方面能够有共识，便可避免这一问题。下面举例介绍一下非专业人士应该知道的热设计基础知识。
“直径超过13cm，体积庞大，像换气扇一样。该风扇可独立承担最大耗电量达380W的PS3的散热工作”。
以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy专题上的“PlayStation3”（PS3）拆解报道中的一句话。看过PS3内像“风扇”或“换气扇”一样的冷却机构，估计一定会有人感到惊讶。
“怎么会作出这种设计？”
“这肯定是胡摸乱撞、反复尝试的结果。”
“应该运用了很多魔术般的最新技术。”
“简直就是胡来……”
大家可能会产生这样的印象，但事实上并非如此。
PS3的冷却机构只是忠实于基础，按照基本要求累次设计而成。既没有胡摸乱撞，也不存在魔术般的最新技术。
在大家的印象里，什么是“热设计”呢？是否认为像下图一样，是“一个接着一个采取对策”的工作呢？其实，那并不能称为是“热设计”，而仅仅是“热对策”，实际上是为在因热产生问题之后，为解决问题而采取的措施。
如果能够依靠这些对策解决问题，那也罢了。但是，如果在产品设计的阶段，其思路存在不合理的地方，无论如何都无法冷却，那么，很可能会出现不得不重新进行设计的最糟糕的局面。
而这种局面，如果能在最初简单地估算一下，便可避免发生。这就是“热设计”。正如“设计”本身的含义，是根据产品性能参数来构想应采用何种构造，然后制定方案。也可称之为估计“大致热量”的作业。
虽说如此，但这其实并非什么高深的话题。如果读一下这篇连载，学习几个“基础知识”，制作简单的数据表格，便可制作出能适用于各种情况的计算书，甚至无需专业的理科知识。
第1章从“什么是热”这一话题开始介绍。大家可能会想“那接下来呢”？不过现在想问大家一个问题。热的单位是什么？
如果你的回答是“℃”，那么希望你能读一下本文。
热是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。
设备会持续发热。像这样，热量连续不断流动时，估计用“每秒的热能量”来表示会更容易理解。单位为“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。
不只是热量，所有能量都不会突然生成，也不会突然消失。它们不是传递到其他物质就是转换为其他形态的能量。
比如，100J的能量可在100N力的作用下将物体移动1m。使该“物体移动”后，能量并不是消失了。比如，使用能量向上提升物体时，能量会以位能的形态保存在物体中。使用能量使物体加速运动时，则以动能的形态保存在物体中。
100J的能量可使100g水的温度升高约0.24℃。这并不是通过升高水的温度消耗了100J 的能量。而是在水中作为热能保存了起来。
如上所述，能量无论在何处都一定会以某种形态保存起来。能量既不会凭空消失，也绝不会凭空产生。这就是最重要“能量守恒定律”。
现在大家已经知道热是一种能量，其单位用J表示了吧！能量会流动，如果表示每秒的能量，单位则为W。
那么让我们回到最初提出的那个问题。℃是温度单位。温度是指像能量密度一样的物理量。它只不过是根据能量的多少表现出来的一种现象。即使能量相同，如果集中在一个狭窄的空间内，温度就会升高，而大范围分散时，温度就会降低。
PS3等电器产品也完全遵守能量守恒定律。从电源插头流入的电能会在产品内部转换为热能，然后只会向周围的物体及空气传递。
接通电源后一段时间内，多半转换的热能会被用于提高装置自身的温度，而排出的能量仅为少数。之后，装置温度升高一定程度时，输入的能量与排除的能量必定一致。否则温度便会无止境上升。
很多人会认为，“热设计是指设计一种可避免发热并能使其从世界上消失的机构”。
就像前面指出的那样，说是“发热”，但并非凭空突然产生热能。说是“冷却”，但也并不是热能完全消失。
如左图所示,热设计是指设计一种“将○○W的能量完全向外部转移的机构”，其结果是可达到“○○℃以下”。大家首先要有一个正确的认识！
下面看一下热传递的方式。
热能传递只有3种方式。分别为“传导”、“对流”及“热辐射”。请注意，传导与对流表面文字相似，但绝不相同！
传导是指在物体（固体）中传播的热能的传递。铝和铁的导热性都很出色。这就是传导。
如果用数值表示导热性，树脂为0.2～0.3，铁为49，铝为228，铜为386。这些都是指该物质的导热率，单位为“W/（m·℃）”。越容易导热的物质，该数值越大。
如果用一句话来表述导热率的含义，即“有一种长1m、断面积为1m2的材料，其两端的温度差为1℃时，会流动多少W”。如果将其单位“W/（m·℃）”写成
大家是不是立刻就明白了呢？
对流是指热能通过与物体表面接触的流体，从物体表面向外传递的方式。请大家联想一下吃热拉面时的情景。用嘴吹一下，拉面就会变凉。那就是利用热对流使热从拉面表面向吹出的空气传递的结果。
这也可用数值表示。比如，流体为水，散热面水平放置时，自然对流就为（2.3～5.8）×100，受迫对流就为（1.2～5.8）×1000，水沸腾时就为（1.2～2.3）×10000。这就是各种情况下的传热系数，单位为“W/（m2·℃）”。
这个单位很容易理解。由于是“W/（面积·温度差）”，因此它的意思就是“面积为1m2的面与周围流体的温度差为1℃时，会从该面传递多少W热量”。
该传热系数受散热面设置状况的影响较大。根据流体的种类、流速及流动方向等，数值会发生变化。因此，计算传热系数的公式会根据不同的情况发生改变。
比如，有一个温度均匀的平板，如果在与其平行的方向受迫流动空气时（受迫对流），可用左图的公式求出传热系数。从该公式可知以下两点。
①传热系数与流速的平方根（√）成比例
→流速提高至2倍，传热系数也只提高至1.4倍
②如果冷却面积相同，流动的距离越长，传热系数越低
→在冷却面上流动的空气吸热后，会在温度上升的同时继续流动，因此冷却能力会越来越弱
总之，冷却热的物体时，与使用强风使其冷却的方法相比，横向扩大散热面，使整体通风的方法更有效。
下面介绍一下自然对流的情况。空气自然对流时的传热系数用下图的公式求解。
这里出现两个新词，分别为“姿势系数”和“代表长度”。这些是根据面的形状及设置方向定义的。右图分别显示了垂直和水平设置平板时的情况，其他面形状及设置方向也各有姿势系数及代表长度。
辐射是指经由红外线、光及电磁波等从物体表面传递的方式。被电炉发出的红色光照射后，会感到温暖。这就是热辐射。太阳的热量穿过真空宇宙到达地球，这也属于辐射。
辐射中热量是否易于吸收和放出取决于表面的温度及颜色等。就颜色大体而言，黑色容易吸放，而白色较难。
如果用数值来表示，其数值范围为0～1。理论上来讲，全黑物质为1，铝为0.05～0.5，铁为0.6～0.9，黑色树脂为0.8～0.9。这就是热辐射率（没有单位）。
此处公开的公式是一个近似式，用于计算设置在空气中的物体向周围的空气进行辐射时传递的热量。物体和空气的温度差并不是很大时，可利用该公式准确计算出结果。
热传递只有前面提到的3种方式。利用这些公式可计算出“从表面温度为○○℃的方形箱体表面会向空气中释放多少W的热量”。
至此，总结了“热设计的3条基础知识”。不论是感觉“公式很难”的人，还是“早就知道”的人，只要了解这3条就足够了。
总而言之，其根本是要“遵守原理原则”。不违背原理原则，一点一点仔细设计非常重要。就像中学和大学教科书中记载的那样，基础中的基础最为重要。
下面，估计一下实际设备的大小，然后试着计算从该箱体的表面会释放出多少热量。假设将大小与第一代PS3几乎相同（325mm×275mm×100mm）的方形箱体竖着放置，并且假设该箱体内外不换气。
环境温度按照产品的工作保证温度决定。在此，工作保证温度最高为35℃，假设再加上5℃作为设计余量。
下面再确定一下设备外装的表面温度吧！该温度由作为产品性能参数的容许温度决定。在此，假设箱体的表面温度同样为60℃。并且，将由外装使用的素材及颜色决定的表面辐射率设定为0.8。
此时，在其内部生成的……不对，应该是在箱体内部由电转换为热量的能量，从箱体的表面通过热对流及热辐射的方式向外部转移。另外，估计设备表面与外部接触的部分只有小橡胶底座，因此不会通过热传导方式传递热量。
并且，暂不考虑散热片设计情况及处理器的温度。这里仅针对箱体大小、表面情况及外部温度决定的能量进出收支计算。
会是多少W呢？第一代PS3的最大发热量为380W。试想一下，其
中来自外壳表面的散热会是多少？
从箱体表面放出的热量为54.8W。而这是外壳表面温度均为60℃时的数值。实际上，外壳的表面温度分布不均，只有一部分为温度60℃。估计大部分无法达到规格温度。粗略估算一下，整体仅有6成为60℃，只能散热32.9W。估计现实中会更少。
综上所述，PS3大小的设备从外壳表面最多只能散热30W左右。可悲的是，这就是现实。产品的发热量如果为100W，剩余的70W必须采用其他方式强制释放出来。380W的话，剩下的就是350W。下一章将介绍为此而采用的换气措施。
【技术讲座】热设计基础（二）风扇只需根据能量收支决定
与PS3同等大小的箱体所产生的自然散热，最多也只有30W左右，这在确认热相关基础知识的第一篇文章中已经介绍过。有时必须利用某些手段强制性地排出剩余热能。此时，电子产品中使用的是专门用来在产品内外进行换气的风扇。该风扇根据能量的收支计算来决定。下面将介绍如何选择风扇。
在讲解热传递基础知识的本连载第一篇文章中得知，与第一代“PlayStation 3”（PS3）大小（325mm×275mm×100mm）基本相同的方形箱体表面，“最多只能散热30W左右”。而事实上，有许多人无法认同这种解释。他们的观点大致有以下三种。
“好像有辐射特性非常出色的涂料？”
“外壳全部采用铝！”
“如果采用水冷方式的话，可以进一步减小尺寸？”
在进入正题之前，我们先就这些观点进行探讨。
首先是“魔术涂料”。实际上，的确有一种可以提高表面辐射率的涂料。那么，我们将在上次计算中为0.8的辐射率，改为理论最高值1.0进行计算。虽然因辐射而产生的散热量增至1.25倍，但整体上约为38W，只不过比上次的33W增加了5W。在“发热量较少，而换气的确困难”的状况下，“魔术涂料”可成为强有力的帮手，但也并不是将散热量增至两倍或三倍。
“外壳全部采用铝！多花成本也无所谓！”这样的话对于我这样的机械爱好者真是求之不得……然而，这种想法的出发点应该是“均匀外壳表面的温度，从整个表面进行散热”吧。
这种情况下的答案显而易见。上章中，考虑到外壳表面的温度分布，粗略地估算为有“六成”分布达到60℃，散热量估计为33W。假设外壳表面完全没有温度分布，整个表面均为60℃，那么不打“六折”，散热量约为55W
那么，反过来算一下，要想通过外壳表面散热300W，表面温度必须为多少℃。而且，辐射率为理论上的最高值1.0，同时没有温度分布！在这种条件下进行计算，得到的结果竟然是115℃。这种温度岂止是摸上去会不会导致烧伤的问题！这种游戏机太不安全了，无法销售。
“如果采用水冷方式的话，将可以很好地降温”。许多人都有这种简单的想法。确实，自来水是比较凉。如果从自来水的水龙头开始拉长水管连接到产品上的话，肯定可以很好地降温。但是，不能这么做吧。
冷却机构基本上由三个要素构成。
①受热部：承受发热源的热量
②传热部：将热量从受热部传递到散热部
③散热部：将热量传递到大气中
水冷是指经由水进行②热传递。其原理是暂且将发热源的热量传递到水中，然后水（应该是热水）流动到散热部，最后排放到大气中。
水冷后的水只在装置中循环，最终必须通过某些方法将热量排放到大气中。原则上，①和③的大小即使采用水冷方式也不会发生变化。另外，如果采用水冷方式，就需要泵和配管，
这样一来冷却机构的体积就会变大。
水冷可以在下列几种情况中发挥作用。汽车的发动机（发热源）和散热器（散热部）就是代表性例子。
?由于发热部的热密度较大，因此希望提高受热部的热导率
?发热部和散热部远远地隔开
?由于总发热量较多、散热部非常大，因此希望将热量扩散到散热部的各个角落
?发热源较多，希望通过一个散热部统一进行散热
至此，各位读者心中已经有一个大致的答案了吧。即使运用各种方法，也无法从PS3这种大小的产品表面自然地放出200W或300W的热量。剩余部分只能吸入空气，然后使热量渗入到空气中，最后将变暖的空气排放到产品外部。例如，如果整个装置的发热量为100W，则剩余的70W必须通过“换气”排出去。
那么，当流入空气温度为40℃、流出空气温度为60℃时，为了排出70W热量需要多少空气量呢？根据空气热容量按照下面的公式进行计算后得知，需要毎秒 2.7L（毎分0.162m3）的空气。即便只是想象一下，也是个很大的量啊。
该风量无法通过自然换气排出来，稍后将会详细地进行介绍。最终结论是需要风扇。另外，第一代PS3的热处理能力为500W，因此，为了通过换气将减去30W后剩余的470W 排出去，需要每分钟1.1m3的换气量。
不过，在实际的产品开发中，很难按照理论值进行。会使用稍多的流量。换言之，“能够以尽量接近理论值的较少的空起量进行冷却”将决定冷却设计的优劣。如何减少未发挥作用而白白通过的空气，将成为显示技术实力的关键。
此处将介绍在本连载中今后会用到的便捷工具。这就是称为“P-Q图”或“P-Q特性”的图表，纵轴表示静压（P）、横轴表示流量（Q）。
①装置的阻力特性
请想象一下有吸气口和排气口的装置。空气从吸气口进入后，会在装置内流动，然后从排气口出来。此时，装置中塞满了部件，因此会阻碍空气流动。如果在吸气口施加低静压，会有少量空气流动起来，如果施加高静压则会有大量的空气流动起来。这是当然的。
如果将这种关系用图表来表示，会形成一条向右上方攀升的线。①表示装置的通风阻力，即“向该装置中施加多少静压后，会有多少空气会流动起来”。一般称为“系统阻抗” （System
Impedance）。
②风扇的性能特性
当被问及“该风扇的性能如何”时，如果可以用“10马力”等一个数值来表达就好了，但却不能这么做。这是因为，即便是同一个风扇，如果安装在阻力较大的箱体上，就只能使少量空气流动起来，如果安装在阻力较小的箱体上，则可以使更多的空气流动起来。
将这种关系用图表来表示的话，会形成一条向右下方下降的线。②就是表示风扇能力的曲线。表示“风扇在多大的静压时，会使多少空气流动起来”。一般称为“风扇的P-Q特性”。
③工作点
那么，在①装置中安装②风扇时，会产生多大的静压、流动多大的流量？表示该答案的就是①和②的交点——工作点。
在对强制进行空气冷却的产品进行设计，最先决定的是风扇的种类和大小。风扇的种类和大小先于散热片（散热板）和微细内部构造进行决定，这也许会让部分读者觉得意外。更准确的说，是已经被决定了。
风扇有多种型号，P-Q特性线的斜率会因种类而发生变化。这里将介绍三种具有代表性的风扇。
①轴流风扇：这是一种最普通的像电风扇扇翼一样的风扇。风从扇翼的旋转轴方向排出。特点是静压低、风量大。“PlayStation 2”（PS2）中采用了这种型号的风扇。
②离心式风扇：这是一种利用离心力引起空气流动的风扇。风从圆周方向排出。特点是静压稍高、风量稍少。PS3中采用的风扇就是这种型号。
③横流风扇（Cross flow Fan）：从旋转圆筒的一侧曲面大量吸入空气，然后从另一曲面大量排出。特点是风量超大、静压超低。适合换气量非常大、系统阻抗较低的产品。代表性例子就是空调的室内机。
另外，即便是相同种类的风扇，如果大小和旋转次数不同，风量和静压也会发生变化。如果都变大的话，P-Q特性线就会偏向右上方。
下面将把各种风扇的特性绘制到P-Q图中。将各种风扇P-Q特性线的大致中间值作为代表值，两轴采用对数显示方式。
按照横流风扇、轴流风扇和离心式风扇的顺序，静压越来越高。作为参考，还加入了机械式压缩机的数值。正如读者想像的那样，压力非常大，但流量非常少。
将正在设计的产品所需风量和所需静压代入该图中，就可以判断出哪种型号的风扇是最佳选择。
那么，笔者将以第一代PS2及第一代PS3为例来介绍风扇的选择方法。
首先，估计所需的换气量。第一代PS2为了向空气中排出80W，所需的换气量为毎分钟0.24m3。第一代PS3为了承受470W的热量，需要毎分钟1.1m3的换气量。
然后，估计系统阻抗。虽然只是“估计”，但实际上并不能通过纸上计算轻松地得出结果。对类似的机型进行测量，或者试制样机进行实验，这样更快吧。
从结论来看，第一代PS2约为15Pa，第一代PS3约为300Pa。两者之间的差距起因于空气的流动路径。PS2采用的是从外壳前面吸气，然后冷却散热片和电源，最后直接从外壳背面进行排气的笔直流路。而PS3则是从多处吸气，对多处进行冷却，然后冷却电源，在外壳内转换方向从二层降到一层，对散热片进行冷却后排气。由于流路长而复杂，因此空气阻力较大。这时就需要可以解决这个问题的高静压风扇。
将需要的换气量和静压代入P-Q图中。PS2的要求标准是轴流风扇的“好球区” （Strike Zone）。而离心式风扇恰好符合PS3的要求标准。
然后，查看风扇厂商的产品目录，从符合P-Q特性的风扇中选择大小刚好的产品。PS2和PS3风扇的扇翼形状是索尼自主开发的，参考各大公司的产品目录后，大致上就可以想象到其大小。顺便介绍一下，在第一代PS3中，为了获得每分钟1.1m3和300Pa的性能，新开发出了直径为140mm、厚度为30mm的风扇。并且，PS2和“PSX”中采用了直径为60mm、厚度为15mm的轴流风扇。
至此，本文一直强调，“如果不用风扇，这些风量不会流动起来”。果真如此吗？肯定会有人持有这样的疑问，“如果最大限度地利用…烟囱效应? （Chimney Effect），不是可以散热几十W左右吗”？
如果温度变高，空气就会膨胀。也就是说，如果体积相同，热空气会变轻。较轻的空气被较重的空气推开，然后上升。这就是自然对流。
如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来，敞开上下面，可进一步地促进自然对流。这就是烟囱效应。
那么，如果假设整个产品外壳是烟囱，则可获得多大的流量呢？假设是一个大小与PS3基本相同的方形箱体，将其上面和下面全都敞开。然后求出此时因烟囱效应而产生的静压。
40℃的空气密度为1.128kg/m3，60℃的空气密度为1.060kg/m3。空气密度之差乘以外壳高度后，得知静压为0.022kg/m2（＝0.216Pa）。
我们根据该静压来推算风量。因为有第一代PS2的系统阻抗测定值，因此可以使用。
当施加通过烟囱效应获得的0.216Pa静压时，流入第一代PS2的风量仅为毎分钟0.015m3。第一代PS2需要的风量，即便是理论值也高达每分钟0.24m3。毎分钟0.015m3这个数值完全不够！即使将整个产品外壳做成烟囱，也无望通过烟囱效应进行换气。结论还是必须得安装风扇。
如上所述，所需风扇型号和大小全由能量情况决定。首先应决定风扇，“采用何种内部构造”及“采用什么样的散热片”等是次要的。
姑且进行试制或姑且实现模块化进行模拟，如果未能冷却再安装风扇，这种开发方式无法制成出色的产品，而且会耗费开发时间。首先动手计算，搞清楚能量收支与风扇的必要性，才是合理的设计捷径。（特约撰稿人：凤康宏索尼计算机娱乐公司设计2部5课课长）
热设计基础
热设计基础（一）：热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律 在开发使用电能的电子设备时，免不了与热打交道。“试制某产品后，却发现设备发热超乎预料，而且利用各种冷却方法都无法冷却”，估计很多读者都会有这样的经历。如果参与产品开发的人员在热设计方面能够有共识，便可避免这一问题。下面举例介绍一下非专业人士应该知道的热设计基础知识。 “直径超过13cm，体积庞大，像换气扇一样。该风扇可独立承担最大耗电量达380W的PS3的散热工作”。 以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy专题上的“PlayStation3”（PS3）拆解报道中的一句话。看过PS3内像“风扇”或“换气扇”一样的冷却机构，估计一定会有人感到惊讶。 “怎么会作出这种设计？” “这肯定是胡摸乱撞、反复尝试的结果。” “应该运用了很多魔术般的最新技术。” “简直就是胡来……” 大家可能会产生这样的印象，但事实上并非如此。 PS3的冷却机构只是忠实于基础，按照基本要求累次设计而成。既没有胡摸乱撞，也不存在魔术般的最新技术。
在大家的印象里，什么是“热设计”呢？是否认为像下图一样，是“一个接着一个采取对策”的工作呢？其实，那并不能称为是“热设计”，而仅仅是“热对策”，实际上是为在因热产生问题之后，为解决问题而采取的措施。 如果能够依靠这些对策解决问题，那也罢了。但是，如果在产品设计的阶段，其思路存在不合理的地方，无论如何都无法冷却，那么，很可能会出现不得不重新进行设计的最糟糕的局面。 而这种局面，如果能在最初简单地估算一下，便可避免发生。这就是“热设计”。正如“设计”本身的含义，是根据产品性能参数来构想应采用何种构造，然后制定方案。也可称之为估计“大致热量”的作业。 虽说如此，但这其实并非什么高深的话题。如果读一下这篇连载，学习几个“基础知识”，制作简单的数据表格，便可制作出能适用于各种情况的计算书，甚至无需专业的理科知识。 第1章从“什么是热”这一话题开始介绍。大家可能会想“那接下来呢”？不过现在想问大家一个问题。热的单位是什么？ 如果你的回答是“℃”，那么希望你能读一下本文。 热是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。
热设计实验报告
************大学 电子机械综合实验课程实验报告 实验名称电子设备热设计综合实验 机电工程学院 ****** 班Array姓名****** 学号********** 同作者**************** 实验日期 2016 年 12 月26日
电子设备热设计实验第一阶段实验报告 一、实验目的 在电子机械设备正常运转和工作中，由于阻性元件的存在不可避免地会产生大量热量。如果不能将产生的热量及时导出设备体外，则会导致设备器件表面温度上升，温度超过规定后势必影响该设备的功能实现。尤其是如今电子元器件高度集成化，其散热问题则更加尖锐和突出。 本实验旨在模拟一个电子设备的发热模型，通过常见的散热方式对设备进行散热处理，通过实验结果的对比分析，探究常见散热方法的散热效率。同时，借助相应热分析软件icepak进行实验的仿真，熟悉该软件的使用过程，并将仿真结果与实验结果进行对比，分析产生误差的原因。最终基于多组实验的实验结果分析，探究散热效率最高的散热方式。 二、实验器材 电子设备模拟发热实验平台 1套 测量工具（包括游标卡尺及直尺等） 1套 多路温度巡检仪 1台 实验平台主机 1台 温度采集仪 1个 散热风扇 1个 肋板散热器 1个 热电偶测温仪 1套 三、实验内容 搭建电子模拟发热实验平台，并连接PC分析端。在初步实验探究自然对流散热模型时，分别设置陶瓷发热片的发热功率为4w和5w，观察温度变化曲线，当温度区域稳定时，记录该发热功率下发热片的最高温度。 得到实验结果后，在icepak热分析软件中搭建此平台模型，设定实验装置各相关参数，分别进行模拟仿真。得到温度云图后记录对应发热功率下最高温度，与实际实验结果对比，分析实验误差产生的原因，并且探究更为有效的散热方试。 四、实验步骤 一、实测过程
技术讲座--热设计基础
【技术讲座】热设计基础（一）：热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律 在开发使用电能的电子设备时，免不了与热打交道。“试制某产品后，却发现设备发热超乎预料，而且利用各种冷却方法都无法冷却”，估计很多读者都会有这样的经历。如果参与产品开发的人员在热设计方面能够有共识，便可避免这一问题。下面举例介绍一下非专业人士应该知道的热设计基础知识。 “直径超过13cm，体积庞大，像换气扇一样。该风扇可独立承担最大耗电量达380W的PS3的散热工作”。 以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy专题上的“PlayStation3”（PS3）拆解报道中的一句话。看过PS3内像“风扇”或“换气扇”一样的冷却机构，估计一定会有人感到惊讶。 “怎么会作出这种设计？” “这肯定是胡摸乱撞、反复尝试的结果。” “应该运用了很多魔术般的最新技术。” “简直就是胡来……” 大家可能会产生这样的印象，但事实上并非如此。 PS3的冷却机构只是忠实于基础，按照基本要求累次设计而成。既没有胡摸乱撞，也不存在魔术般的最新技术。 在大家的印象里，什么是“热设计”呢？是否认为像下图一样，是“一个接着一个采取对策”的工作呢？其实，那并不能称为是“热设计”，而仅仅是“热对策”，实际上是为在因热产生问题之后，为解决问题而采取的措施。
如果能够依靠这些对策解决问题，那也罢了。但是，如果在产品设计的阶段，其思路存在不合理的地方，无论如何都无法冷却，那么，很可能会出现不得不重新进行设计的最糟糕的局面。 而这种局面，如果能在最初简单地估算一下，便可避免发生。这就是“热设计”。正如“设计”本身的含义，是根据产品性能参数来构想应采用何种构造，然后制定方案。也可称之为估计“大致热量”的作业。 虽说如此，但这其实并非什么高深的话题。如果读一下这篇连载，学习几个“基础知识”，制作简单的数据表格，便可制作出能适用于各种情况的计算书，甚至无需专业的理科知识。 第1章从“什么是热”这一话题开始介绍。大家可能会想“那接下来呢”？不过现在想问大家一个问题。热的单位是什么？ 如果你的回答是“℃”，那么希望你能读一下本文。 热是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。
散热基本理论分析
散热基本理论分析 【摘要】文章主要介绍散热基本理论，指出散热的三种主要方式，分别为导热、对流换热和辐射换热。三种散热方式在各行各业中的应用各有侧重，对流换热是计算机中最为主要的散热手段，辐射换热是各种高温热力设备中的重要换热方式，而对于TV背光系统，导热是最主要的散热方式。 【关键词】散热背光导热对流辐射 一、散热基本理论 热量的传递有导热、对流换热和辐射换热三种方式。导热指物体内的不同部位因温差而发生的传热，或不同温度的两个物体因直接接触而发生的传热，是最直接和常用的散热方式；对流换热指流体与温度不同的物体表面接触时，对流和导热联合起作用的传热，我们常见的风扇就是利用对流换热原理加快流体流动速度而进行散热。辐射换热指的是两个互不接触且温度不同的物体或介质之间通过电磁波进行的换热，这是各种工业炉、锅炉等高温热力设备中重要的换热方式。 二、导热 导热--物体内的不同部位因温差而发生的传热，或不同温度的两物体因直接接触而发生的传热。从定义中我们不难看出，无论是物体内部的热量传递还是物体与其他物体之间的热量传递都属于导热，传导过程中传递的热量按照Fourier（傅里叶）导热定律计算：Q=λA( Th-Tc)/ξ。其中λ指的是材料的导热系数，A指的是两个物体的接触面积，Th和Tc分别指的是高温和低温面的温度，ξ为两个面之间的距离。 从公式中不难看出导热的效果与材料的导热系数、接触面积和温差成正比，与两个面之间的距离成反比。 导热系数单位为W/（m*℃）表示了该材料的导热能力的大小，一般来说固体的导热系数大于液体，液体的导热系数大于气体，例如纯铜的导热系数高达400W/(m*℃)，纯银的导热系数约为236W/(m*℃)，水的导热系数就只有0.6W(m*℃)，而空气的导热系数更仅仅为0.025W(m*℃)。铝的导热系数高而且密度低，所以大多数的散热器都使用铝合金材料，当然如果为了提供散热性能，可以在铝条上增加铜成分或者使用铜散热器，但代价相对较大，因为铜的价格相对昂贵。 图1.导热 三、对流换热 对流换热--流体与温度不同的物体表面接触时，对流和导热联合起作用的传热，这是计算机系统设备上应用最为广泛的一种散热模式。根据流动的起因不同，对流换热可分为强制对流换热和自然对流换热。
手机PA与PCB板的热设计理论分析及应用
手机PA 与PCB 板的热设计理论分析及应用（PASSIONRFSOS ） 【摘要】 手机的PA 是对于整个发射电路来说非常重要，不仅仅因为它对发射指标,发射性能影响很大而且PA 电流消耗占手机总电流的近60%以上,由于它本身的效率低,绝大多数能量都要以热能的方式消耗掉, 从而PA 也是手机发热的主要源头之一. PA 应用无论是对发射性能的改善,整机电流消耗提高通话时间, 还是由于PA 散热问题而关联到的PCB 板及整机的热设计都有着很大的影响. 本文主要描述从热量传递的方面,通过热设计的一些基本理论和方法,对PCB 板及手机的热设计提出分析与改善建议 【关键词】手机PCB 热设计 图 2.1 红外线下PA 发热示意 Y F S O F T W A R E C O .,L T D
图 2.2 PA 在不同功率下的发热曲线 随着手机,PDA 等手持设备的普遍, 体积空间越来越来小, 电子器件的密度越来越高, 同时也就对于热设计的要求越来越高, 电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。 电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。 由于CDMA 信号相对GSM 信号来言对线形要求比较高，故多采用CLASS AB 型的功放 ，效率比较低，大功率下的理论效率最高不过40%远低于GSM 功放的55% ， 那也就是说对于CDMA PA 大于 60% 的功率将以热能的形式消耗掉， 例如1.9G CX 77140 对于我们目前校准要求PA 的实际有效输出功率是27的dBm ， 约501mW , 而总体消耗功率为正常PA 工作电压3.6V 与消耗电流约450mA , 3.6*0.45=1.62W, PA 此时的效率约为0.501/1.62*100%=31% ，而以热的形式消耗的能量就 高达 70% 1.1W, 这些热量如果不能及时迅速的散出去，就会很快提高PCB 板的温度，产生手机严重的发热问题。更重要的是导致电子元器件的可靠性因温度升高而失效，也即系统可靠性大大降低。因此,对电子设备而言,即使是降低1℃,也将使其设备的失效率降低一个可观的量值。例如,统计数据表明,民航的电子设备每降低1℃,其失效率将下降4%,可见温升的控制(热设计)是十分重要的问题。 目前国产手机都有长时间通话后发热比较大问题的, 热设计不仅仅是PCB 布局与电子器件发热的问题,还包括前期的ID 设计, 结构的设计,这是一个整体的设计,要不然等手机出现了发热过大的问题后再希望通过其它补救措施来改进的话,会是非常难的,而且效果也不明显, 原来有个例子，是直板机设计,设计初期没考虑到热设计因素, 屏幕比较薄, 离PCB 近, 而且PCB 布局时屏幕的正下方的PCB 板上就是整个手机里发热量最大占整机消耗电流近一半的PA, 在大功率通话几分钟后,PA 温度就可达到60度, 这样热量会通过PCB, LCD 迅速传递到屏幕上,而屏幕的位置正是贴近耳朵脸颊的位置,对温度升高比较敏感,当通话二十几分钟后, 屏幕的温度让人感觉非常不舒适. 所以从这个案例中我们看到,热设计的重要性。 1.1热设计的理论基础 现在的热设计主要遇到的挑战有更小体积便携产品的流行， 封闭的结构没有流动的空气，功率消耗器件封装变小，没有传统的Heat Sinks. 所以现在的热设计主要的就是如何在去掉传统的Heat Sinks.后如何高效的进行PCB 设计来解决只有较小封装，较小POWER PAD 大功耗IC 的散热问题以及影响整机温度的问题。 热传递主要分为，热传导，热对流，热辐射。 热传导 ：主要是热量通过材质间的直接传导传递。对于手机PCB ，主要是PA 等发热量比较大的器件通过PCB 横向或纵向直接传导热量。 热对流 ： 热量从表面到静止或流动的空气传递。但由于手机PCB 上，对PA PM 等器件都有屏蔽罩，罩的空气基本处于静止状态，所以对与手机PCB 板来说，多为静止方式的热对流。 热辐射： 热量通过表面向空间传递到另一个物体上，对于手机这种方式比较少。 对于温度传导我们首先要提出一个概念就是热阻，热量在不同介质材料中传导时也会有阻力一样的现象。对于PCB 板如图2.4 我们可以建立一个简单的用热阻概念建立的模型以便以我们的分。析。 Y F S O F T W A R E C O .,L T D
手机PA与PCB板的热设计理论分析及应用
手机PA与PCB板的热设计理论分析及应用（PASSIONRFSOS）【摘要】 手机的PA 是对于整个发射电路来说非常重要，不仅仅因为它对发射指标,发射性能影响很大而且PA电流消耗占手机总电流的近60%以上,由于它本身的效率低,绝大多数能量都要以热能的方式消耗掉,从而PA也是手机发热的主要源头之一. PA应用无论是对发射性能的改善,整机电流消耗提高通话时间,还是由于PA 散热问题而关联到的PCB板及整机的热设计都有着很大的影响.本文主要描述从热量传递的方面,通过热设计的一些基本理论和方法,对PCB板及手机的热设计提出分析与改善建议 【关键词】 手机PCB热设计 图 2.1 红外线下PA 发热示意
图 2.2 PA 在不同功率下的发热曲线 随着手机,PDA等手持设备的普遍,体积空间越来越来小,电子器件的密度越来越高,同时也就对于热设计的要求越来越高,电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。 由于CDMA 信号相对GSM信号来言对线形要求比较高，故多采用CLASS AB 型的功放，效率比较低，大功率下的理论效率最高不过40%远低于GSM功放的55% ，那也就是说对于CDMA PA 大于 60% 的功率将以热能的形式消耗掉， 例如1.9G CX 77140 对于我们目前校准要求PA 的实际有效输出功率是27的dBm，约501mW , 而总体消耗功率为正常PA工作电压3.6V与消耗电流约450mA , 3.6*0.45=1.62W, PA 此时的效率约为0. 501/1.62*100%=31% ，而以热的形式消耗的能量就高达 70% 1.1W, 这些热量如果不能及时迅速的散出去，就会很快提高PCB板的温度，产生手机严重的发热问题。更重要的是导致电子元器件的可靠性因温度升高而失效，也即系统可靠性大大降低。因此,对电子设备而言,即使是降低1℃,也将使其设备的失效率降低一个可观的量值。例如,统计数据表明,民航的电子设备每降低1℃,其失效率将下降4%,可见温升的控制(热设计)是十分重要的问题。 目前国产手机都有长时间通话后发热比较大问题的,热设计不仅仅是PCB 布局与电子器件发热的问题,还包括前期的ID设计,结构的设计,这是一个整体的设计,要不然等手机出现了发热过大的问题后再希望通过其它补救措施来改进的话,会是非常难的,而且效果也不明显,原来有个例子，是直板机设计,设计初期没考虑到热设计因素,屏幕比较薄,离PCB近,而且PCB布局时屏幕的正下方的PCB板上就是整个手机里发热量最大占整机消耗电流近一半的PA, 在大功率通话几分钟后,PA温度就可达到60度,这样热量会通过PCB, LCD 迅速传递到屏幕上,而屏幕的位置正是贴近耳朵脸颊的位置,对温度升高比较敏感,当通话二十几分钟后,屏幕的温度让人感觉非常不舒适.所以从这个案例中我们看到,热设计的重要性。 1.1热设计的理论基础 现在的热设计主要遇到的挑战有更小体积便携产品的流行，封闭的结构没有流动的空气，功率消耗器件封装变小，没有传统的Heat Sinks. 所以现在的热设计主要的就是如何在去掉传统的Heat Sinks.后如何高效的进行PCB设计来解决只有较小封装，较小POWER PAD大功耗IC的散热问题以及影响整机温度的问题。 热传递主要分为，热传导，热对流，热辐射。 热传导：主要是热量通过材质间的直接传导传递。对于手机PCB，主要是PA等发热量比较大的器件通过PCB 横向或纵向直接传导热量。 热对流：热量从表面到静止或流动的空气传递。但由于手机PCB上，对PA PM 等器件都有屏蔽罩，罩的空气基本处于静止状态，所以对与手机PCB板来说，多为静止方式的热对流。 热辐射：热量通过表面向空间传递到另一个物体上，对于手机这种方式比较少。 对于温度传导我们首先要提出一个概念就是热阻，热量在不同介质材料中传导时也会有阻力一样的现象。对于PCB板如图2.4 我们可以建立一个简单的用热阻概念建立的模型以便以我们的分。 析。
热设计知识
热设计 林小平
热设计
目录 1 传热学基础 (1) 1.1热传导 (1) 1.2 热对流 (1) 1.3 热辐射 (1) 1.4增强散热的方式 (2) 1.5 基本概念 (3) 2 流体力学基础 (5) 2.1 控制方程 (5) 2.2准则参数 (6) 3 散热方式 (7) 3.1 自然冷却 (7) 3.2 强迫空气冷却 (7) 3.3 液体冷却方案 (7) 3.4 冷板冷却 (8) 3.5 热管 (8) 3.6 热电冷却 (8) 3.7 蒸发冷却 (8) 3.8 相变冷却 (9) 3.9 冷却方式选择 (9) 4 热设计要点 (11) 4.1 热设计的基本步骤和流程图 (11) 4.2 热设计应考虑的问题 (12) 4.3 热设计基本要求 (13) 4.4 热设计基本原则 (13) 5 常见热设计 (14) 5.1 风冷设计 (14) 5.2 液体冷却系统的设计 (17)
5.3 冷板设计 (17) 5.4 热管 (19) 6 热仿真 (21) 6.1 仿真模拟的求解过程 (21) 6.2 软件结构 (22) 6.3 边界条件 (23) 7 热测试 (25) 7.1 热测试概述 (25) 7.2 热负载测试过程 (26) 7.3热测试时的注意事项 (27)
1.传热学基础 热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射。 1.1热传导 导热是在同一种介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象。 式中：Φ —热流量，W； —比例系数，热导率或导热系数，W/（m·K）； A —传导换热面积，m2； Δt —导热温差，℃或K； δ —厚度，m。 要想获得较为准确的热分析，首先得获得准确的材料的导热系数。 1.2 热对流 热对流是指在流体中不同温度的东西之间有相对的位移产生时所引起的热量传递的过程。自然对流是指因为流体存在密度的差异而导致的各物质间产生相对的运动；而强迫对流是因为机器（泵或风机）相对运动的影响或其他压力差所产生的。 c h c ? ? t 式中：Φc—热流量，W； hc —比例系数，称为对流传热系数,W/（m2·K）； A —换热面积,m2； Δt —流体与壁面的温差，℃或K； 用于指代对流传热性能好坏的是对流传热系数。 1.3 热辐射 热辐射是指物体因为热的原因使得内能向电磁波转化而引起的辐射过程。 式中：Φr—热流量，W；
热设计和热分析基础知识培训
热设计和热分析基础知识培训 1 为什么要进行热设计 在许多现代化产品的设计，特别是可靠性设计中，热的问题已占有越来越重要的地位：电子产品：高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。从而导致整个产品的性能下降以至完全失效。这对于无论民用或军用产品都是一个重要问题。 航天产品，如卫星、载人飞船等，对内部温度环境有非常严格的要求；再如宇航员的装备，既要保证宇航员的周围环境，又要灵活、轻便。对于处于宇宙环境中的产品还要考虑超低温的影响等。 建筑方面：环保和节能的要求，冬季的保温和夏季的通风、降温等。各种家电产品自身的热设计和对周围环境的影响。实际上，热设计并不是什么新的东西，在日常生活中，在以往的产品中，都有意无意的使用了热设计，只是没有把它提高到科学的高度，仅仅凭经验在做。比如：在电子产品的设计中，如何合理的布置发热元件，使其尽量远离对温度比较敏感的其它元器件；合理的安排通风器件(风扇等)，通过机箱内、外的空气流动，使得机箱内部的温度不致太高；还有生产厂房中如何合理安排通风和排气设备，以及空调、暖气设备等，以达到冬季的保温和夏季的通风、降温要求，为工人提供一个较为舒适的工作环境。家居方面，则通过暖气、风扇、空调等为居民提供一个较为舒适的生活环境。 各种载人的交通工具，如汽车、火车、飞机等也都需要考虑如何为乘客提供舒适的环境。所有这些，说到底都是与热设计有关的问题，过去要求不高，凭经验就可以基本满足要求。但是，随着技术的进步，要求越来越高，光凭经验就不够了。 1.1 热设计的目的 根据相关的标准、规范或有关要求，通过对产品各组成部分的热分析，确定所需的热控措施，以调节所有机械部件、电子器件和其它一切与热有关的组份的温度，使其本身及其所处的工作环境的温度都不超过标准和规范所规定的温度范围。对于电子产品，最高和最低允许温度的计算应以元器件的耐热性能和应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。对于航天产品，必须同时考虑严酷的空间环境(超低温-269。C、太阳辐射、轨道热等) 和内部的热环境，尤其是载人航天器，其热设计的要求也更加复杂和严格，难度也更大。 1.2 热设计的基本问题 1.2.1 发生和耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度； 1.2.2 热量以生热(其它能量形式->热能)、导热、对流及辐射进行传递，每种形式传递的热量与其热阻成反比； 1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数； 1.2.4 所有的热控系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求； 1.2.5 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决； 1.2.6 热设计中允许有较大的误差–源于各种热条件的不确定性，例如同类电子元器件，其热耗的分散性；空气的湿度使得对流换热的效果有较大不同； 1.2.7 热设计应考虑的因素：包括结构与尺寸、系统各组成部分的功耗、产品的经济性、与所要求的结构和元器件的失效率相应的温度极限、(对于载人航天还要考虑人能忍受的极限条件)、结构和设备、电路等的布局、工作环境(外部环境和内部环境)
(完整版)散热器设计的基本计算
散热器设计的基本计算 一、概念 1、热路：由热源出发，向外传播热量的路径。在每个路径上，必定经过一些不同的介 质，热路中任何两点之间的温度差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻，就像电路中的欧姆定律，与电路等效关系如下。 2、热阻：在热路中，各种介质及接触状态，对热量的传递表现出的不同阻碍作用—— 在热路中产生温度差,形成对热路中两点间指标性的评价。 符号——Rth 单位——℃/W。 ?稳态热传递的热阻计算: R th= (T1－T2)/P T1——热源温度（无其他热源）（℃) T2——导热系统端点温度（℃) ?热路中材料热阻的计算: R th=L/(K·S) L——材料厚度（m) S——传热接触面积（m2) 3、导热率：是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所 传递的热量。 符号——K or λ单位——W／m-K，
二、热设计的目标 1、确保任何元器件不超过其最大工作结温（T jmax） ?推荐：器件选型时应达到如下标准 民用等级：T jmax≤150℃工业等级：T jmax≤135℃ 军品等级：T jmax≤125℃航天等级：T jmax≤105℃ ?以电路设计提供的，来自于器件手册的参数为设计目标 2、温升限值 器件、内部环境、外壳：△T≤60℃ 器件每升高2℃，可靠性下降10％；器件温升为50℃时，寿命只有温升25℃的1/6，电解电容温升超过10℃，寿命下降1/2。 三、计算 1、TO220封装＋散热器 1)结温计算 ?热路分析 热传递通道：管芯j→功率外壳c→散热器s→环境空气a
注：因Rth ca较大，忽略不影响计算，故可省略。 Rth ja≈Rth jc＋Rth cs＋Rth sa≈(T结温－T环温)/P ?条件 Rth jc——器件手册查询 Rth cs——材料热阻：R th绝缘垫=L绝缘垫厚度／（K绝缘垫·S绝缘垫接触c的面积） Rth sa——散热器热阻曲线图查询 T结温——器件手册查询（待计算数值） T环温——任务指标中的工作环境要求 P ——电路设计计算 ?计算 T结温＝（Rth jc＋Rth cs＋Rth sa）·P＋T环温＜手册推荐结温 ?注：注意单位统一；判定结温温升限值是否符合。 2)散热器热阻计算（参见上图） 散热器的热阻一般可在由厂家提供的热阻曲线上标出，也可通过测试得出。 ?测试 在被测散热器上安装一发热器（or组）件,固定一个风速（M/S），测量进、出风温度，通过计算，得出该条件下的Rth sa。设定一组风速，得出的不同Rth sa值，绘制出该散热器的热阻曲线，不同长度的散热器，可得到不同的曲线。 ?条件 T进风——进口温度 T出风——相同风速下的出口温度 P——电路设计计算的，发热器（or组）件的功耗 ?计算 Rth sa＝（T出风－T进风）／P ?注：亦可根据已有条件，如管芯的△T和功耗，计算出所需散热器的热阻上限，在热阻曲线图上选用足够尺寸的散热器。 2、共用同一散热器（见右图） ?分析 对于散热器而言，总的传热功耗为： J1J2 ＝P j1＋P j2 P 总 那么散热器的温升为：
电子散热设计基础理论
电子散热设计基础理论
内容 第一节 概述 1 第二节 热传导 1 第三节 热辐射7 第四节 热对流8 第五节 影响对流换热的因素11 5．1 流体运动产生的原因 5．2 流动状态的影响 5．3 流体物性的影响 5．4 温度因素的影响 5．5 几何因素的影响 5．6 其他 第六节 复合换热20 第七节 模拟分析软件ICEPAK在传热设计中的应用 22 附件1，ICEPAK在传热设计中的应用举例
电子散热设计基础理论 第一节 概 述 传热现象在自然界普遍存在，有温差的地方就会有热量传递发生。具体到在工程技术领域中，掌握传热体系内的传热量和温度分布最具有实际意义。一般来说，对于无内热源的稳定传热过程，传热量（Q 或q ）和传热温差⊿t 的关系可表示为下列一般形式： Q=qF=⊿t/ R W 或 q=Q/F=⊿t/r W/m 2 式中Q 亦称热流量。q 亦称热流率或热流密度，⊿t[℃]亦称传热推动力，F[m 2]为传热面积，R[℃/W]为热阻，r =RF[m 2. ℃/W]称单位面积热阻. 传热的基本方式有传导、辐射和对流三种，但实际换热过程往往是以一种形式为主的复合换热方式。下面，结合实践经验，对这几种理论分别加以阐述。 第二节 热 传 导 同一物体内部或互相接触的物体之间，当温度 不同但没有相对的宏观位移时的传热方式叫热传导 或导热。微观来看，气体导热基于分子或原子的彼 此碰撞；液体和非导电固体导热的机理是分子或原 子振动产生的弹性波作用；而金属导热则主要靠自 由电子的扩散传播能量[s] 。其微观现象如（图2-1） 热源 所示， 从图中可以看出，热传导是热量从高温部分 （图示最红色）往低温部分均匀传递，温度随之降低。 图2-1 热传导微观示意图
热设计的基础知识
2 热设计的基础知识 2.1基本术语 2.1.1 热环境 设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况 2.1.2 热特性 设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。 2.1.3 热阻 热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类 （热扩展效应） 2.1.4 导热系数 表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃ 2.1.5 对流换热系数 反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃ 2.1.6 流阻 反映流体流过某一通道时所产生的压力差。单位帕斯卡或mm.H2O或巴 2.1.7 定性温度 确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度 2.1.8 肋片的效率 表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样条件下光壁所能传递的热量之比 2.1.9 黑度 实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表
面状况、表面温度及表面颜色。 2.1.10 雷诺数R e(Reynlods) 雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。 2.1.11普朗特数P r(Prandtl) 普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。 2.1.12 格拉晓夫数G r(Grashof) 格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，G r越大，表面流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。 2.1.13努谢尔特数N u(Nusseltl) 反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则。 2.1.14 传热单元数NTU 为无因次量，其数值反映了在给定条件下所需传热面积的大小，是一个反映冷板散热器综合技术经济性能的指标。 2.1.15 冷板的传热有效度E 衡量冷板散热器在传递热量方面接近于理想传热状况的程度，它定义为冷板散热器的实际传热量和理论传热量之比，为无因次量。 2.1.16 通风机的特性曲线 指通风机在某一固定转速下工作，静压、效率和功率随风量变化的关系曲线。当风机的出风口完全被睹住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而风量达到增大。 2.1.17 系统的阻力特性曲线 系统(或风道)的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压力随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。 2.1.18 通风机工作点 系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线曲线的交点就是风机的工作点。 2.2几种容易混淆的概念 2.2.1温度与温升的区别
LED封装基本知识
LED封装基本知识 LED（发光二极管）封装是指发光芯片的封装，相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不仅要求能够保护灯芯，而且还要能够透光，所以LED的封装对封装材料有特殊的要求。 封装简介 LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。 自上世纪九十年代以来，LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构，商品化的超高亮度（1cd以上）红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市，2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。LED的上、中游产业受到前所未有的重视，进一步推动下游的封装技术及产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式，可生产出多种系列，品种、规格的产品。 技术原理 大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。
LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性；2.加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。 LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED 封装先后经历了支架式（Lamp LED）、贴片式（SMD LED）、功率型LED（Power LED）等发展阶段。随着芯片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。 关于LED封装结构说明 LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作
热设计技术规范
产品热设计技术规范
前言 本规范根据通信产品热设计相关资料及热实验结果等编制而成。本规范起草单位： 本规范授予解释单位： 本规范主要起草人： 本规范批准人： 目录
1 概述 (1) 1.1 热设计的目的 (1) 1.2 热设计的基本问题 (1) 1.3 热设计应遵循的原则 (1) 2 热设计的基本知识 (3) 2.1 基本概念 (3) 2.2 热量传递的基本方式极其基本方程式 (5) 2.3 增强散热的方式 (6) 3 自然对流散热 (7) 3.1 自然对流热设计应考虑的问题 (7) 3.2 自然对流换热系数的计算 (9) 4 强迫对流散热——风扇冷却 (11) 4.1 风道的设计 (11) 4.2 抽风与鼓风的区别 (16) 4.3 风扇选型设计 (17) 4.4 机柜/箱强迫风冷热设计 (22) 5 单板元器件安全性热分析 (24) 5.1 元器件温升校核计算 (24) 5.2 元器件的传热分析 (27) 5.3 散热器选型参数的确定 (27) 5.4 散热器选用与安装的原则 (29) 6 通信产品热设计步骤 (30) 7 附录 (32) 7.1 热仿真软件介绍 (32) 7.2 参考文献 (32) 本文针对公司产品的特点，提供了热设计的基础理论知识、热设计的基本方法与步骤、热设计的原则等内容。
产品热设计技术规范 第一章概述 1.1 热设计的目的 采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。 1.2 热设计的基本问题 1.2.1 耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度； 1.2.2 热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比； 1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数； 1.2.4 所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求； 1.2.5 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决； 1.2.6 热设计中允许有较大的误差； 1.2.7 热设计应考虑的因素：包括 结构与尺寸 功耗 产品的经济性 与所要求的元器件的失效率相应的温度极限 电路布局 工作环境 1.3 遵循的原则 热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾; 1.3.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准; 1.3.3 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作。
热工理论基础教案
《热工理论基础A》课程教案 一、教学目的与要求: 《热工理论基础》课程的理论知识在自然界及各个领域都有着非常广泛的应用，其内涵丰富、公式数量多、联系工程实际范围广，是热能动力工程、建筑环境与设备工程、自动化（热工过程自动化方向）和车辆工程交通运输、机械设计及其自动化专业的一门主要专业基础课程。学生通过学习掌握能量转换的理论基础、流体运动的基本规律及热量传递的基本理论知识和实验，使学生获得本专业的基本知识，并受到相应的分析、计算能力及一定的实验技能的训练。为后续专业课的学习打下扎实的基础。通过实验，掌握热工基础的测量内容和实验分析方法,具备一定的实验技能，并能合理分析实验结果和书写实验报告。 二、课程基本内容及重点和难点: 第一章热力学的基本概念(4学时) 工程热力学的研究对象及主要内容工程、热力学的发展状况及其在热动工程中的重要作用。自然界能源的来源及其利用，热能与机械能的转换，热力系统、工质、热源、状态，平衡状态、状态参数及其特性、基本状态参数、状态方程、热力参数坐标图。可逆过程、热量、功、热力循环。 重点内容：热力系统、工质、热源、状态，平衡状态、状态参数、准平衡过程、可逆过程、热量、功、热力循环的基本概念 难点内容：准平衡过程、可逆过程概念正确理解。 第二章热力学第一定律(4学时) 热力学第一定律的实质及应用，功、热量，热力学能、膨胀功的物理意义及数学表达式以及在示功图中的表示。闭口系统的热力学第一定律表达式，稳定流动能量方程式。功和热量在p-v和T-s 图中的表示。 重点内容：掌握热力学第一定律的实质及应用，热力学能、焓、熵的物理意义，热量、膨胀功、技术功的数学表达式及在p-v和T-s图中的表示，稳定流动能量方程式的应用方法。 难点内容：膨胀功、技术功和轴功的区别。 第三章热力学第二定律(6学时) 热力学第二定律的实质、卡诺循环组成、卡诺循环热效率、卡诺定律、熵方程、克劳修斯不等式、孤立系统熵增原理。 重点内容：深刻理解热力学第二定律的实质，掌握卡诺循环热效率的计算及卡诺定律的含义，掌握熵方程的推导过程、克劳修斯不等式、孤立系统熵增原理的应用。 难点内容：准确理解卡诺定律并解释一些物理现象，孤立系统熵增原理的应用。
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招聘职位DSP工程师 工作职责1、负责基于GSM/WCDMA/LTE等无线通信标准的算法软件设计、开发、测试和维护； 2、负责多核SOC芯片软件设计、开发和验证工作； 3、分析解决产品商用过程中的算法相关问题，对技术问题的解决进度和质量负责，对商 用产品的功能和性能保障负责。 职位要求1、通信、电子、计算机、信号处理、应用数学等专业，有扎实的计算机基础知识，本科及以上学历； 2、具备通信基础理论知识，有一定的算法理论功底； 3、精通C/C++编程语言； 4、具备一定的软件工程知识，掌握基本软件开发流程和开发工具； 5、具有华为公司系列认证证书(HCIE/HCNP/HCNA)者优先。 招聘职位UCD设计工程师 工作职责用户研究：负责用户研究和用户测试，通过用户行为的定性、定量分析，发现产品用户体验提升的机会点，评估可用性现状； 交互设计：负责设计人机交互场景、任务和操作流程； 视觉设计：负责产品视觉风格和VI设计； 前端技术：负责与设计师配合快速在各种前端平台上构建UI原型。 职位要求1、艺术设计、工业设计、数字媒体、人因工程、交互设计、心理学、计算机等专业本科及以上学历； 2、掌握以下一项或多项技能：平面/3D视觉设计、信息架构设计、界面原型设计、用户测 试、用户行为跟踪与数据挖掘、眼动分析、HTML5/iOS/Android/WP/C/C++/JAVA/Java script/HTML/Flash/CSS等前端界面编程； 3、用户研究和交互设计方向要求英语四级以上，要求逻辑思维能力和沟通协调能力强； 4、动手能力强、熟练掌握各种UI设计工具者优先。
散热基础理论
本文简述了LED灯散热行业内问题，提出便于实现LED灯模块标准化的技术方案，将散热片划归为灯具中的部件，由LED芯和导热芯构成的灯芯，设计成系列标准，采用圆锥柱面导热芯，有效解决灯芯（导热芯）与散热片（灯具）之间的热传导问题，并认为恒流驱动电源更合理。针对散热片自然对流传热，本文提出了采用对流罩，利用烟囱效应，强化提高散热，并简述了优化理念。经大量实验得出，每瓦散热用铝不到4克的显著结果，LED灯散热将不再是问题。 一引论 LED照明由于其节电、环保、长寿命，而被公认为下一带照明技术，将取代现有的各种照明技术。LED为冷光源，怕热，有80％之多的电能转化为热能，必须有散热措施，虽然LED发光技术已有飞跃发展，有每瓦发光达200lm的报道，但LED散热却是LED照明中非常头痛，但又还没得到有效解决的问题，成了LED照明灯普及发展道路上的拦路虎。 阻碍LED照明应用普及的最大问题是LED灯价格高，虽然上游的LED晶片厂商瓜分绝大部分利润，有大幅度降价空间，但要实现整个社会资源有效配置到LED照明整个产业链中，有效降低造价，便于普通民众购买安装，LED照明灯的模块标准化是必经之路，就像现有照明灯（白炽灯、日光灯/节能灯）那样。LED照明灯模块标准化的阻碍就是散热问题的存在。 散热属于传热中的一部分。人类对传热的研究已有上百年的历史，上世纪60～70年代是人们对传热研究的顶峰时期，其主要动力是人类开发航空航天的需求。那时代，传热技术领域聚集了许多优秀人才，有不少传热研究人员成为知名人士，之后人们对传热研究热情逐渐减小，目前传热学及技术的专业人员非常少。传热学及技术已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被树叶遮盖，不被现在的人们看见，以致当电子行业，主要是计算机中的CPU发热量突然大增时，人们没有去拔开地面上的树叶，捡起那些熟透的果子，将人类成熟的传热知识移植到电子行业内。而是另起炉灶，创造出不少新名
热设计的基础知识与规范
目录 1 概述 (1) 1.1 热设计的目的 (1) 1.2 热设计的基本问题 (1) 1.3 热设计应遵循的原则 (1) 2 热设计的基本知识 (3) 2.1 基本概念 (3) 2.2 热量传递的基本方式极其基本方程式 (5) 2.3 增强散热的方式 (6) 3 自然对流散热 (7) 3.1 自然对流热设计应考虑的问题 (7) 3.2 自然对流换热系数的计算 (9) 4 强迫对流散热——风扇冷却 (11) 4.1 风道的设计 (11) 4.2 抽风与鼓风的区别 (16) 4.3 风扇选型设计 (17) 4.4 机柜/箱强迫风冷热设计 (22) 5 单板元器件安全性热分析................................................24 字串2 5.1 元器件温升校核计算 .. (24) 5.2 元器件的传热分析 (27) 5.3 散热器选型参数的确定 (27) 5.4 散热器选用与安装的原则 (29) 6 通信产品热设计步骤 (30) 7 附录 (32) 7.1 热仿真软件介绍 (32) 7.2 参考文献 (32)
第一章概述 第一章概述 1.1 热设计的目的 采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。 1.2 热设计的基本问题 1.2.1 耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度； 1.2.2 热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比； 1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数； 1.2.4 所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求； 1.2.5 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决； 1.2.6 热设计中允许有较大的误差； 1.2.7 热设计应考虑的因素：包括 结构与尺寸 功耗 产品的经济性 与所要求的元器件的失效率相应的温度极限 电路布局 工作环境 1.3 遵循的原则 1.3.1热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计、电气设计相互 兼顾; 1.3.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准; 1.3.3 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作。 1.3.4 每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求； 1.3.5 在规定的使用期限内，冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低； 1.3.6 在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。