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        繞線發(fā)熱單板設(shè)計(jì)方法研究

        2016-09-26 07:37:43吳林漢劉佩瑤
        關(guān)鍵詞:散熱量繞線發(fā)熱量

        吳林漢,劉佩瑤

        (深圳市興森快捷電路科技股份有限公司,廣東深圳,518057)

        繞線發(fā)熱單板設(shè)計(jì)方法研究

        吳林漢,劉佩瑤

        (深圳市興森快捷電路科技股份有限公司,廣東深圳,518057)

        為了保證加熱板達(dá)到設(shè)計(jì)要求的升溫且均勻加熱,本文介紹了發(fā)熱板利用導(dǎo)線焦耳發(fā)熱的設(shè)計(jì)原理,初步研究了對(duì)處于自然散熱環(huán)境的繞線發(fā)熱板繞線設(shè)計(jì)方法,并采用仿真手段對(duì)設(shè)計(jì)好的單板進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明:設(shè)計(jì)方法正確,達(dá)到了升溫及加熱均勻度的設(shè)計(jì)要求。

        導(dǎo)線焦耳發(fā)熱;繞線設(shè)計(jì)方法;詳細(xì)設(shè)計(jì);仿真

        引言

        普通單板應(yīng)用在低溫環(huán)境,或者其具有一定的加熱需求時(shí)通常會(huì)考慮利用導(dǎo)線通電焦耳發(fā)熱的原理來達(dá)到提升單板溫度的目的[1-2]。本文通過對(duì)處于自然散熱環(huán)境的發(fā)熱板繞線設(shè)計(jì)進(jìn)行討論,并采用仿真手段對(duì)理論設(shè)計(jì)單板的發(fā)熱情況進(jìn)行了驗(yàn)證[3]。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求非常接近,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。

        1 發(fā)熱單板繞線設(shè)計(jì)

        1.1目標(biāo)設(shè)計(jì)要求及基本參數(shù)

        單板發(fā)熱繞線設(shè)計(jì),需要滿足以下設(shè)計(jì)參數(shù)要求:一是設(shè)計(jì)表面溫升要求40℃,整板表面溫度均勻性+/-1℃;二是工作電壓0~24 VDC可調(diào),20 VDC時(shí)滿足上一條所述設(shè)計(jì)目標(biāo);三是單板需要有過流保護(hù),確定過流保護(hù)限值的具體值。

        為了達(dá)到如上目標(biāo),單板基本參數(shù)包括環(huán)境狀態(tài)和單板性質(zhì),具體見表1所示。

        其中,Bottom層鋪全銅指在PCB板上鋪全銅,即整個(gè)PCB板底層完全用銅皮覆蓋(以下簡(jiǎn)寫為BOTTOM層)。

        表1 單板散熱量計(jì)算基本參數(shù)

        1.2單板散熱量估算

        單板設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)溫升到40℃。為維持單板溫度穩(wěn)定,其發(fā)熱量應(yīng)等于單板的散熱量。單板表面溫度均勻性要求保證在+1/-1℃,即要求單板所有局部均基本達(dá)到設(shè)計(jì)溫度,理想情況下單板任何局部無(wú)溫差,不存在傳熱,局部的發(fā)熱量應(yīng)該等于局部散熱量。

        根據(jù)傳熱原理,位于自然散熱環(huán)境中的單板散熱途徑只有對(duì)流和輻射,根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]的基本公式可以估算出單板的散熱量,具體如表 2所示。

        表2 散熱量估算

        1.3單板局部散熱量

        為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),單板布局采用軸對(duì)稱設(shè)計(jì),單板局部散熱量計(jì)算以對(duì)稱的四分之一單板為基礎(chǔ)單位。單板的散熱量分布通過仿真給出,如圖 1所示。將其離散后,如圖 2所示。另外Bottom面處理相同。

        圖1 單板 TOP面散熱量(W)

        圖2 TOP面散熱量分區(qū)計(jì)算(未注明單位為mm)

        1.4電阻計(jì)算

        電源供電范圍24 VDC,設(shè)計(jì)要求電源調(diào)壓至20 VDC滿足設(shè)計(jì)要求,此時(shí)單板表面溫度為65℃,單板散熱量計(jì)算結(jié)果為8.57 W(根據(jù)仿真統(tǒng)計(jì)修正表 2估算值)。單板恒溫加熱,所以單板通電產(chǎn)生的焦耳熱應(yīng)該與單板實(shí)際散熱量相等。并聯(lián)、串聯(lián)繞線方式各有不同。

        (1)并聯(lián)繞線形式

        單板TOP層發(fā)熱量為4.72 W,Bottom層發(fā)熱量為3.84 W,根據(jù)導(dǎo)線發(fā)熱功率計(jì)算導(dǎo)線熱阻要求如下:

        上層繞線電阻:84.70 Ω,上層通電電流0.236 A;下層繞線電阻:104.20 Ω,下層通電電流0.192 A;通電電流應(yīng)允許有±10%的裕量,則上層電流限值建議設(shè)置在0.26 A,下層電流限值建議設(shè)置在0.21 A。

        (2)串聯(lián)繞線形式:

        單板總發(fā)熱量為8.57 W,單板Top層發(fā)熱量為4.72 W,Bottom層發(fā)熱量為3.84 W,根據(jù)導(dǎo)線發(fā)熱功率計(jì)算導(dǎo)線熱阻要求如下:

        上層繞線電阻:25.70 Ω;下層繞線電阻:21.00 Ω;

        通電電流:0.428 A,電流限值應(yīng)允許有±10%的裕量,則電流上限限值建議設(shè)置在0.470 A。

        從計(jì)算結(jié)果來看:并聯(lián)形式繞線電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于串聯(lián)形式,即設(shè)計(jì)時(shí)要采用更長(zhǎng)或者更細(xì)的導(dǎo)線,對(duì)布置不利[4,5],故建議采用串聯(lián)設(shè)計(jì),本文以下均將以串聯(lián)繞線形式為例。

        1.5單板繞線設(shè)計(jì)

        65℃銅電阻率2.05×10-8Ω·m,根據(jù)1.4節(jié)內(nèi)容,設(shè)計(jì)暫定主選1 OZ×6 mil的導(dǎo)線為主要布線導(dǎo)線,根據(jù)圖3可以折算出單板局部需要的布線電阻長(zhǎng)度,根據(jù)布線電阻長(zhǎng)度在離散區(qū)域內(nèi)均勻布線,參見圖4,Bottom層參照Top方法執(zhí)行。

        圖3 TOP層電阻布局(還原成完整單板熱阻分布,未計(jì)入側(cè)面散熱影響)

        圖4 TOP層電阻繞線設(shè)計(jì)(其中黃色部分為走線)

        2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        樣品實(shí)物在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行一系列有效真實(shí)的測(cè)試,最終得出以下一系列真實(shí)數(shù)據(jù)。所需實(shí)驗(yàn)器材如表3所示。

        實(shí)驗(yàn)采用器材如表3所示。

        表 3 實(shí)驗(yàn)器材

        以下為實(shí)驗(yàn)器材設(shè)備實(shí)物,如圖5所示。實(shí)驗(yàn)板熱電偶粘接點(diǎn)如圖6所示。

        圖5 系統(tǒng)配置圖

        圖6 單板上表面熱電偶分布

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        在整個(gè)單板加載相同熱量時(shí),單板表面亮銅的發(fā)熱效果好,單板表面溫升較高;單板表面綠油加鋪銅的發(fā)熱效果一般,單板表面溫升較低;從測(cè)試結(jié)果來看,由于亮銅的表面拋光度較好,熱輻射系數(shù)低,導(dǎo)致其表面與環(huán)境熱輻射換熱能力減弱,所以單板在高溫情況下亮銅反而會(huì)影響單板散熱。從表4和表5中數(shù)據(jù)可以得到體現(xiàn)。

        (1) 測(cè)試結(jié)果相對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果溫升較小,是由于實(shí)測(cè)單板設(shè)計(jì)熱阻比設(shè)計(jì)熱阻偏大44.3%,則在給一定電壓20 VDC下,實(shí)際的發(fā)熱量為設(shè)計(jì)發(fā)熱量的69.3%,實(shí)測(cè)溫差平均值27.5℃,為設(shè)計(jì)溫升40℃的68.8%,可見實(shí)際測(cè)試與設(shè)計(jì)參數(shù)差異較大的原因在于成板電阻與設(shè)計(jì)單板參數(shù)有巨大差異。

        表4 35℃環(huán)境測(cè)點(diǎn)溫度及溫升

        接表4

        查看打樣PCB文件如下,導(dǎo)線銅厚1.2 mil,而設(shè)計(jì)采用了1oz銅厚,計(jì)算65℃下的導(dǎo)線電阻和為35.1和28.7,總電阻為63.8,比設(shè)計(jì)電阻大17.1 Ω,由于設(shè)計(jì)電阻較小,所以很小的誤差也會(huì)導(dǎo)致非常大的差異,另外焊接和接線等不可控因素引入附加電阻3.6 Ω,實(shí)際測(cè)試功率偏低,單板溫升變小。

        (2) 從測(cè)試結(jié)果來看,單板在加熱后整體均勻性較差,單板TOP面距離輸入端口較遠(yuǎn)處溫升較均勻,靠近輸入端口處溫升較低。環(huán)境溫度越高,輸入電壓越高,靠近輸入端口處的溫升較遠(yuǎn)離輸入端口處的溫升差值越大;單板Bottom面的溫升較Top面的溫升較高,主要是因?yàn)門op面較Bottom面的自然對(duì)流換熱系數(shù)高,對(duì)流換熱效果好。

        單板左側(cè)由于接插口的影響導(dǎo)線布置靠右側(cè),故導(dǎo)致右側(cè)加熱效果好于左側(cè),討論需排除7、8點(diǎn)影響,因?yàn)槠涫茏髠?cè)無(wú)導(dǎo)線區(qū)域影響較大。測(cè)試板的鋪銅層僅1.2 mil,設(shè)計(jì)中建議采用14oz(約0.0198 in)厚銅板均溫,最少也要采用4oz銅皮層,實(shí)際板與設(shè)計(jì)板差異巨大,無(wú)法達(dá)到均溫的效果,導(dǎo)致單板表面溫度差異較大。

        4 仿真驗(yàn)證

        圖7 Top層仿真結(jié)果(0.428 A)

        采樣單板表面仿真結(jié)果制成溫度散點(diǎn)圖,Top層表面的平均溫度為66.43℃,Bottom層表面的平均溫度為66.76℃,單板表面溫度波動(dòng)范圍在1℃之內(nèi),可以滿足整板表面溫度均勻性+/-1℃的要求,但是整板的平均溫度略高于設(shè)計(jì)要求65℃,這種差異可能是由于銅的導(dǎo)熱率設(shè)置差異。根據(jù)采樣點(diǎn)的溫度調(diào)整導(dǎo)線電流至0.423 A后,單板表面平均溫度約為65.6℃,與設(shè)計(jì)溫度65℃相對(duì)誤差約為1%。

        圖8 TOP層單板表面采樣點(diǎn)溫度散點(diǎn)圖(平均溫度66.43℃)

        5 結(jié)束語(yǔ)

        經(jīng)過反復(fù)的測(cè)試和樣品驗(yàn)證,可以確定繞線發(fā)熱單板的可行性,確認(rèn)了覆銅層對(duì)單板發(fā)熱的影響。在航空、醫(yī)療等領(lǐng)域中,外界環(huán)境對(duì)設(shè)備本身的影響很大,通過增加單板繞線發(fā)熱技術(shù),可以對(duì)設(shè)備本身達(dá)到恒溫作用,確保電子設(shè)備自身的良好運(yùn)行。

        下一步將繼續(xù)在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用中調(diào)研,實(shí)驗(yàn)和測(cè)試單板在發(fā)熱過程中的穩(wěn)定性,觀察記錄其工作狀態(tài)和生命周期,為電子設(shè)備運(yùn)行提供穩(wěn)定的工作溫度。

        [1]馮辛安. 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

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        吳林漢(1982-),通信作者,男,江西人,本科,機(jī)械設(shè)計(jì)主管,從事結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)行業(yè)。

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