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.

［2］戴鍋生. 傳熱學(xué)［M］. 北京: 高等教育出版社， 1999: 2-5.

［3］GJB/Z 27-1992. 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］. 北京: 人民交通出版社， 1999: 5-15.

［4］鄭玉鑫. 繞線式電機(jī)滑環(huán)的發(fā)熱與冷卻［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（22）: 57-57.

［5］廖明. 電氣柜內(nèi)發(fā)熱元件熱設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究［D］. 江蘇: 南京航空航天大學(xué)， 2012.

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)。

Research on Design Method of Heating Single Board Around Wire

Linhan Wu， Peiyao Liu（Shenzhen FastPrint Circuit Tech Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong， 518057， China）

In order to satisfy the design objective of heat plate temperature rise and uniformity， the paper discusses heat plate imposing of the joule principle heats the chip. The detailed design method for the heat plate in natural convection environment and simulation method is used to verify the design of the single board. Simulation procedure is adopted to validate the design method is correct.

Joule Heating； Winding Design Method； Detail Design； Simulation

TH12

A

2095-8412 （2016） 04-682-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.027