风冷散热原理
从热力学的角度来看,物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在时,就必然发生热从高温处传递到低温处,这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象.而热传递的方式有三种:
辐射、对流、传导,其中以热传导为最快.我们要讨论的风冷散热,实际上就是强制对流散热.对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体,而这具有不同温度时所发生的热量转移过程.热源将热量以热传导方式传至导热介质,再由介质传至散热片基部,由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流,将热量散发到空气中.风扇不断向散热片吹入冷空气,流出热空气,完成热的散热过程.
对流换热即受导热规律的支配,又受流体流动规律的支配,属于一种复杂的传热过程,表现在对流换热的影响因素比较多.
1．按流体产生流动的原因不同,可分为自然对流和强制对流.
2．按流动性质来区分,有层流和紊流之别.流体从层流过渡到紊流是由于流动失去稳定性的结果.一般以雷诺数(Re)的大小,作为层流或紊流的判断依据.
3．流体的物性对对流换热的影响.例如,粘度、密度、导热系数、比热、导温系数等等,它们随流体不同而不同,随温度变化而变化,从而改变对流换热的效果.
4．换热表面的几何条件对对流换热的影响.其中包括: 1)管道中的进口、出口段的长度,形状以及流道本身的长度等; 2)物体表面的几何形状,尺寸大小等;
3)物体表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度;
4)物体表面的位臵(平放、侧放、垂直放臵等)以及流动空间的大小.
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5．流体物态改变的影响.
6．换热面的边界条件,如恒热流、恒壁温等,也会影响对流换热. 7.风量和温度的关系 T＝Ta+ 1.\"76P/Q 式中
Ta--环境温度,℃ P--整机功率,W Q--风扇的风量,CFM T--机箱内的温度,℃ 散热器材料的选择:
散热片的制造材料是影响效能的重要因素,选择时必须加以注意!目前加工散热片所采用的金属材料与常见金属材料的热传导系数:
金317 W/mK 银429 W/mK 铝401 W/mK 铁237 W/mK 铜48 W/mK
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AA6061型铝合金155 W/mK AA6063型铝合金201 W/mK ADC12型铝合金96 W/mK AA1070型铝合金226 W/mK AA1050型铝合金209 W/mK
热传导系数的单位为W/mK,即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(1K＝1℃)时的热传导功率.
热传导系数自然是越高越好,但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格.热传导系数很高的金、银,由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低,无法满足高热密度场合的性能需要,不适合用于制作计算机空冷散热片.铜的热传导系数同样很高,可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件,在计算机相关散热片中使用较少,但近两年随着对散热设备性能要求的提高,越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料.铝作为地壳中含量最高的金属,因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐;但由于纯铝硬度较小,在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金,寄此获得许多纯铝所不具备的特性,而成为了散热片加工材料的理想选择.
各种铝合金材料根据不同的需要,通过调整配方材料的成分与比例,可以获得各种不同的特性,适合于不同的成形、加工方式,应用于不同的领域.上表中列出的5种不同铝合金中:
AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性,适合于挤压成形工艺,在散热片加工中被广为采用.ADC12适合于压铸成形,但热传导系数较低,因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替,可惜加工机械性能方面不及
ADC12.\"AA1050则具有较好的延展性,适合于冲压工艺,多用于制造细薄的鳍片.
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PCB表面贴装电源器件的散热设计
以Micrel公司表贴线性稳压器为例,介绍如何在仅使用一个印制电路板的铜铂作为散热器时是否可以正常工作.
1.系统要求: VOUT=
5.\"0V;VIN(MAX)= 9.\"0V;VIN(MIN)=
5.\"6V;IOUT=700mA;运行周期=100%;TA=50℃根据上面的系统要求选择750mA MIC2937A- 5.\"0BU稳压器,其参数为:
VOUT=5V±2%(过热时的最坏情况)
TJ MAX=125℃.采用TO-263封装,θJC=3℃/W; θCS≈0℃/W(直接焊接在电路板上). 2.初步计算:
VOUT(MIN)=5V-5×2%= 4.\"9V
PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-
4.\"9V]×700mA+(9V×15mA)=3W温度上升的最大值,ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃;热阻θJA(最坏情况):
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ΔT/PD=75℃/ 3.\"0W=25℃/W.
散热器的热阻,θSA=θJA-(θJC+θCS);θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大). 3.决定散热器物理尺寸:
采用一个方形、单面、水平具有阻焊层的铜箔散热层与一个有黑色油性涂料覆盖的散热铜箔,并采用
1.\"3米/秒的空气散热的方案相比较,后者的散热效果最好.
采用实线方案,保守设计需要5,000mm2的散热铜箔,即71mm×71mm(每边长 2.\"8英寸)的正方形.
4.采用SO-8和SOT-223封装的散热要求: 在下面的条件下计算散热面积大小: VOUT=
5.\"0V;VIN(MAX)=14V;VIN(MIN)=
5.\"6V;IOUT=150mA;占空比=100%;TA=50℃.在允许的条件下,电路板生产设备更容易处理双列式SO-8封装的器件.SO-8能满足这个要求吗?采用MIC2951-03BM(SO-8封装),可以得到以下参数:
TJ MAX=125℃;θJC≈100℃/W. 5.计算采用SO-8封装的参数:
PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=
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1.\"46W;
升高的温度=125℃-50℃=75℃; 热阻θJA(最坏的情况): ΔT/PD=75℃/ 1.\"46W= 51.\"3℃/W;
θSA=51-100=-49℃/W(最大).
显然,在没有致冷条件下,SO-8不能满足设计要求.考虑采用SOT-223封装的MIC5201- 5.\"0BS调压器,该封装比SO-8小,但其三个引脚具有很好的散热效果.选用MIC5201- 3.\"3BS,其相关参数如下: TJ MAX=125℃
SOT-223的热阻θJC=15℃/W θCS=0℃/W(直接焊在线路板上的) . 6.计算采用SOT-223封装的结果: PD=[14V-
4.\"9V]×150mA+(14V× 1.\"5mA)=
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1.\"4W
上升温度=125℃-50℃=75℃; 热阻θJA(最坏的情况): ΔT/PD=75℃/ 1.\"4W=54℃/W;
θSA=54-15=39℃/W(最大).根据以上的数据,参考图1,采用1,400 mm2的散热铜箔(边长 1.\"5英寸的正方形)可以满足设计要求.
以上的设计结果可以作为粗略的参考,实际设计中需要了解电路板的热特性,得出更准确、满足实际设计的结果.
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