原创 密闭壳体的散热设计

最近要设计一个Cortex-A8的嵌入式设备，放置在密闭铝壳内，通过壳体散热。百度上关于密闭壳体的资料不多，在Google上找到了两篇：

第一篇：Heatsink Characteristics

http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1057.pdf

这篇来自IR公司。

散热问题要在电路设计初期就考虑，很多电路因为散热管理做得不好而失败。当两个表面温度不一样的时候热量传递就会发生，就像两点之间的电压产生电流是一个道理。

热量传递有三种方式：

conduction 传导

convection 对流

radiation 辐射

1. 关于conduction传导

公式很多，仅记录结论。

液体比气体的热导率要小，液体中石油比水银的热导率要小。

Application Tips for Conduction:

所有接触的表面都应该顺滑和平坦，并且尽可能使用导热涂脂（thermal grease）或者界面衬垫（interface pads）；

放置半导体器件时要考虑它们的热能密度；

如果使用箱体作为heat sink，确保它的材料厚度和接触面积能够达到要求。

2. 关于convection对流

对流的数学模型很难。

对流分为两种，自然对流（natural convection）和强制对流（forced convection）。自然对流是由流体本身的特点引发的，温度引发流体的密度变化，从而产生流动。在一个合理的自然对流散热片的设计上，70%的热量都可以通过自然对流散发，剩下的30%通过辐射散发出去。

高海拔地区的自然对流，散热效果稍微差一些，因为空气密度低一些。

Application Tips for Natural Convection:

箱柜和支架的上下表面应该合理的留出通气孔；

当有很多不同长度的设备放置在一起时，避免将short发热设备放置在long发热设备的下方；

当有很多发热量大的电路板时，垂直的放置它们更有利于对流；

当使用自然对流方案时，散热片的鱼鳞翅应该垂直对齐。

强制对流是使用外力让流体流动。

离风源越近，风速越大，散热效果越好。

Application Tips for Forced Convection:

电路板上焊接的散热片应该交叉放置，这样风可以通过全部；

不要阻塞散热片的风；

强制对流的通道最好和自然对流一致。

3. 关于radiation辐射

辐射通过不同温度表面的电磁波进行。

在真空中辐射的效率最高。

Application Tips for Radiation:

表面的辐射率尽可能大；

表面积尽可能大；

plain view表面才会辐射出去，view between fins会将彼此吸收热量；

使用热导率高的散热片，散热片加大了辐射表面和外部环境之间的温差，更有利于辐射。

Conclusion: 了解了热传递的三种方式，那如何选择合适的散热片呢？

比如一个TO220的封装，它需要散热4W，最高器件结点温度为150℃，而周围空气温度为50℃，R_Θjc=3.0℃/W（从技术手册中查阅），那么散热片的热导就为：

第二篇：Application Note - Heatsinking in an Enclosure

http://www.xicato.com/sites/default/files/documents/Heatsinking%20in%20an%20Enclosure.pdf

XICATO是一家美国的灯具公司，这是它的应用文档。

Enclosures provide a challenge to thermal management because they isolate the heatsink/luminaire from the surrounding environment thus increasing the relative ambient temperature and “choking” air flow.

Equation 1 P_XSM = A_enchΔT

P_XSM, module thermal load;

A_enc, the inside surface area of the enclosure;

h, heat transfer coefficient (W/m²/K) which is dependent on the system material/geometry;

ΔT, the difference between the ambient temperature inside the enclose (T_a,enc) and ambient temperature outside the enclosure (T_a), typically room temperature (25℃);

散热的设计，其实就是怎样达到这几个参数的问题。

首先，最重要的器件是散热片。设计的大部分精力都应该放置在此，好的散热片能够将温度保持在合理范围之内。而环境温度越高，需要散热片的散热能力越强，因为环境温度会影响参数ΔT。

其次是壳体表面积。分别使用1000lm和2000lm的XSM，要使器件温度都保持在90℃，当宽度一样的情况下，后者的盒子需要更高；这说明，发热量大的器件需要更大的空间；另外要注意的是，后者的inside环境温度会比前者稍高。增加器件与壳体的接触面积之后，可以降低壳体高度，器件温度也能保持在90℃。

然后是壳体材料和形状。金属壳体比木质的散热要好，填充的流体也会有影响，有的盒子里面会填充甲醛，这也是需要考虑的。以下四种材料，Aluminum > steel sheet, painted > steel sheet, stainless > wood box，所以铝材的散热性能其实是非常好的。

结论是，如果想要达到良好的散热效果，器件和壳体的接触面积要尽可能大，壳体的导热能力要尽可能好，环境温度尽可能低。要是环境温度本身就很高，那器件和壳体的接触面积就要更大，壳体导热能力要更好才行。

当盒子很小或者热绝缘的情况下，通气孔是个不错的选择。热量可以从通气孔中escape，它可以是圆孔，也可以是槽，或者是cut channel。另外，还可以借助壳体作为secondary散热片，虽然它的效果并没有通气孔那么好。