感谢论坛本次活动,让我们可以全面的了解热设计,对于电子产品来说散热是很重要的一部,我们也跟着作者的脚步一点一点打开热设计的世界。
在进行热设计之前,首先需要对基础理论和概念有基础的认识。传热学和流体力学是热设计领域中的基础理论,类似于武侠小说中大侠练习基本功一样,掌握这些基本概念对于在热设计领域中取得成功至关重要。传热学研究热量传递的规律,而流体力学则研究流体在不同状态下的力学规律。在热设计中,水和空气常常作为热量的传递媒介,实现热量传递的过程。热量传递是由高温到低温的过程,存在于自然界的温度差异中。传热学主要包括热传导、热对流和热辐射这三种基本方式。
热传导,亦称导热,是热量在温度差异下,通过物体间或物体内部直接接触的传递方式。这一过程依托于微观粒子如分子、原子的热运动,促使热量得以转移。热传导主要活跃于固体介质中,且在此过程中,参与热传导的物体形态保持不变,无物理位置的移动,在我们的日常生活中,电热毯的使用就是常见的热传导的利用。由于物质的热导率受温度、压力、成分等影响很大,采用实验方法测量热导率几乎成为获取物质热导率的唯一方法。比较主流的方法有瞬态法和稳态法两种。
在日常生活中,热量遵循自然法则,自高温向低温流转。得益于被子卓越的隔热性能,它有效阻断了外界暖流的侵袭,确保棒冰身处清凉之中,得以长时间保持固态,延缓融化,这种用法在小时候很常见,现在更多的是使用更加阻热高的材质了。电子产品热设计的核心挑战之一,在于确保内部元器件的结温严格控制在安全阈值之下。鉴于结点位居元器件深处,直接测量实属不易,因此元器件制造商会提供一项关键参数:即内部结点温度与外部特定点温度之间的关联值,这一关键指标被业界称为封装芯片的热阻,它对于精确管理热量至关重要。
热对流是依靠流体的运动,将热量由一处传递到另一处的现象,属于三种基本传热方式之一。
热辐射是一种物体通过电磁波的形式将热能向外散发的传热方式。其特点包括:1) 不依赖物体的接触而进行热量传递,可以在真空中进行传递;2) 辐射换热过程伴随着能量形式的二次转化;3) 一切物体只要其温度高于绝对零度都会发射热射线。在物体温差存在时,高温物体向低温物体传递的能量大于低温物体传递给高温物体的能量。太阳是一个高温气体球体,内部进行着剧烈的热核反应,温度高达数千万摄氏度。由于高温,太阳向宇宙空间辐射的能量中有99%集中在0.2umλ<3μm的短波区。根据大气层外缘测得的太阳单色辐射力,可以看出它和温度为5762K的黑体辐射相当。
流体力学是研究流体在静止和运动下的力学规律的一个分支学科。在电子产品中,热量通常通过气体或液体以对流换热的方式传递。掌握流体力学的基本概念可以帮助我们分析热量传递路径并进行强化传热。对流换热是流体与固体间的热传导和热对流耦合现象,其强弱受到流体流速的显著影响。流体的流动状态主要可分为层流和湍流两种。在流体流动过程中,能量损失可细分为沿程损失和局部损失,损失的大小取决于流体的速度和物性,以及流经物体表面状况和结构等因素。
在了解一定的基本概念后就可以进一步接触热设计基础,产品所采用的热设计技术和方案主要取决于产品的市场定位和功能。对于任何产品的热设计而言,最为重要且必须的是清晰了解产品的定位、功能和应用场景等信息,并且将以上信息转化为热设计的规格要求。在热设计规格确定之后,热设计方案的确定决定了整个产品之后的研发顺利与否。通过了解行业内类似产品的热设计架构,以及参考分析公司内部过往的产品设计,有助于确定一个合理且有效的热设计方案。基于热仿真技术可以快速评估产品不同热设计方案是否满足设计规格,以及热设计方案中是否存在风险,为方案的优化提供基础和方向。热测试主要是验证产品热设计方案的有效性,作为热设计成功与否的重要评判工作。实际产品的热设计工作属于研发设计的一个组成部分,而产品的设计指标(包括使用环境温度、芯片规格、工作性能、噪声等)成本和产品化又相互制约和影响,真正的产品热设计工作受限和考虑的因素非常多,这可能也是产品热设计所面临巨大挑战的原因。
在确定电子产品的热设计技术方案后,需要对涉及的散热元件进行选择和细化。风扇的选择对采用强迫对流冷却技术的电子产品至关重要。不论是自然对流冷却还是强迫冷却的电子产品,都需要考虑散热器的设计和选用。随着电子产品功率密度和热设计要求的提高,热管、均温板、导热界面材料和冷板等散热元件在热设计技术方案中的应用越来越广泛。
热仿真分析的目的是为了识别产品中存在的热风险区域,并评估产品的散热架构和路径是否能有效传递热量。通过基于仿真分析的结果,可以帮助优化产品的热设计,降低热风险。当电子、机构和散热专业无法达成热设计优化方案时,或许可以通过对战模块来解决分歧。
在电子产品的整个研发过程中,热测试工作是非常重要的环节。热测试工作主要分为初步方案测试、优化方案测试和产品验证测试三个阶段,每个阶段都有其特定的目的和作用。在热测试中,主要关注的物理量包括温度、速度、压力和产品的流阻特性等。测试过程中需要使用到各种测试仪器,如热电偶、数据采集仪、恒温恒湿箱、红外热像仪和风洞等。通过不断进行热测试工作,可以验证产品的热设计方案的合理性和有效性,确保产品满足热设计验证标准。
接下来就来到不同品类产品的热设计的具体,本书着重进行了消费电子产品、电力电子产品、通信电子产品,照明电子产品等常见电子产品的分析。
本书非常的有趣,都是以日常生活的小例子进行导入,然后引出概念或者知识,彩色刊印的识别度也非常高,通俗易懂的同时也准确的传播热设计知识。
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