热设计外壳热设计的注意事项

来源：Mentor机械分析

作者：周志雄

为什么外壳热设计很重要？

在讨论外壳热设计的12点重要考虑之前，我们首先思考一下为什么需要在系统或外壳层面考虑热问题。

设计电子产品时，重心自然要放在“电子”上面。不过，电子设备本身需要在某种外壳内工作；外壳既可以是标准机架系统，也可以是定制外壳，比如智能手机或平板电脑的外壳，还可以是另一种产品的一部分，例如汽车仪表盘或飞机驾驶舱。

无论何种情况（包括标准机架系统），电子设备的设计都必须考虑外壳，因为外壳可以阻碍或帮助将热量传送到周围环境，或同时起到两种作用。散热是一个系统问题，我们倡导从上至下的方法，从外壳开始设计的原因就在于此。

外壳内部的气流往往十分复杂，这使得CFD成为开发成功设计的唯一可行方法。气流受电子设备和外壳设计的影响，因此电子设备和外壳的相互作用便构成了应用的热环境。绝大多数情况下，散热介质主要是环境空气。即便在空间狭小如笔记本电脑的产品中，设计人员也要研究空气循环以便提高散热性能，只不过这种情况下外壳的散热和导热更为重要。

电子产品如手机、服务器、网络设备、智能手表、电动汽车电子控制单元等产品的尺寸变小，功能增多，导致热耗增大，从而作为产品电子产品机械部件的壳体设计越来越重要。不管是开口壳体还是封闭壳体，电子产品的热量都需要经过壳体散发到环境空气中。

如图1所示，1U服务器布置非常紧凑，壳体内空气流动复杂，因此优化壳体内空气流动，确保关键芯片有足够冷空气冷却；壳体结构设计必须符合产品热管理要求。

图1在FloTHERM中建模的一个服务器系统的气流分布

优化气流

归根到底，外壳热设计就是要优化电子设备安装就绪之后的气流。但这并不意味着必须在完成电子设计之后将其作为一项后期工作进行处理。相反，为了确保设计时间最短、设计成本最低以及实现低成本、高可靠性的散热解决方案，必须采取协同设计方法。“尽早开始并从简单的做起”，这是金科玉律。

此协同设计可以在概念设计阶段开始。事实上，它可能是获得正确的电子设备架构设计的一个先决条件。其他情况下，外壳设计可能已预先大致确定，但仍可能需要需进一步优化电子设备外壳的散热性能。按照盛行的程度，我们首先讨论开放系统设计的重要考虑，然后讨论封闭或密封系统。

12项重要考虑点

第一考虑点：壳体设计中，需要确保关键芯片散热有足够空气流道。

电子产品各种接头，数据线可能会占用空气流道，从而增加空气阻力，风扇工作点向压力大处偏移，导致流量变小而芯片节温偏高；自然对流、封闭壳体的电子产品中的连接器可能会导致壳体中空气回流，如果热空气回流点出现在主要芯片处，就会导致产品失效。因此在机械壳体设计中，不仅需要考虑高功耗芯片，也需要考虑产品连接器，如数据线对空气流动的影响。

图2电脑中数据连接线

另一项设计考虑是选择“吹气”式还是“吸气”式配置，即风扇用来将空气吹进系统中还是从系统中吸出空气。一般而言，吸气式配置最常见，大部分台式和笔记本电脑都是采用这种配置。这种情况下，风扇将空气经由通风孔吸入外壳中，并排出外壳内的原有空气。在吸气式配置中，电子设备（例如一系列安装在机架上的电路板）可充当流动阻力，使气流均匀地分配到各个卡槽。对于定制系统而言，系统内容纳的PCB设计不会改变，因此可通过优化板间距使每片板实现最佳散热。对于需要容纳各种PCB（而且往往来自不同供应商）的模块式系统，则不建议这样做。

某些系统可能同时需要吹气式和吸气式两种配置，以便实现更高的体积流量。如果使用吸气式配置，系统内部的静态压力会低于环境压力。因此，系统中若有任何泄漏，空气就会渗入系统，并可能绕开电子设备，因而对系统散热毫无贡献。这种空气还会绕过任何用于防止灰尘和污垢进入系统的筛选器。相反，如果使用吹气式配置，空气可能会渗出，同样对系统散热毫无贡献。在详细设计阶段或更早的时候（如果改变原有外壳的用途），应当使用作为CAD模型提供的外壳机械设计，并且特别注意外壳中的连接处。

第二考虑点：选择合适风扇安装在壳体上合适位置。

图3风扇类型从左到右：轴流风扇、径流风扇、离心风扇

图4轴流风扇，径流风扇以及混流风扇的标准化P-Q曲线

不同类型的风扇外形如图3所示，P-Q曲线如图4所示。径向风扇通常会产生高压力而流量低，轴流风扇流量高而压力低；如何选择风扇，主要依据是控制芯片节温需要的风量，满足风量条件下，为设计余量，如果外壳有安装空间，工程师通常会选择大风扇，大风扇出风大，工作点转速慢，噪音小；大风扇成本高，风扇电磁兼容EMC问题很难解决，电子产品小型化，迫使工程师选择更小更便宜的风扇，如此风扇转速高，噪音大，风量也会少。

如果空间允许的话，要在不同的流速和升压特性下获得相同的气流，可能需要在以下两者之间做出选择：以较低速度运行的较大风扇，或者以较高速度运行的较小风扇。

使用以较低速度运行的较大风扇的好处是产生的噪音较低，并且工作寿命较长。另外，它还为下面讨论的散热解决方案内置智能留有余地。不过其成本影响也是显而易见的，因为较大的风扇可能更昂贵，并且更难抑制电磁辐射（EMC，取决于设备的屏蔽方式）。

第三考虑点：强制对流电子产品，风扇对壳体来说是抽风还是送风。

从系统热设计时，首先需要考虑风扇送风进外壳还是风扇从外壳抽风，送风系统在外壳内产生正压，各个PCBA板，连接器都是阻力部件，风扇布置和各个PCBA插槽板间距与布置需要优化才能保证空气合理均匀分配；目前笔记本电脑采用送风。复杂的电子产品，为保证流量，通常安装内部风扇，送风风扇与抽风风扇组合应用。抽风系统在外壳内产生负压，会有环境空气漏如系统而大固体颗粒会被入风口滤网过滤掉，抽风系统流动会更加均匀。在壳体详细设计阶段，一定要考虑风扇在壳体上的安装，确保减少高速风扇因机械振动而产生的噪音。

第四考虑点：利用导流板让壳体内风速均匀，减少环流。

导流板通常放在送风风扇后面，导流板加入会导致送风系统阻力增加，流量减少；导流板产生阻力越大，流动约均匀，如图5所示。

图5SimcenterFloTHERMXT中利用导流板分配流量

如图6所示，风扇托盘安装同类型的轴流风扇，因轴流风扇送风速度高时有“喷射”效应，轴流风扇会产生非轴流速度；风扇流量越高，轴流风扇越容易产生径向速度，为确保风扇托盘后空气流量均匀，流向一致，通常需要考虑加导流板。风扇流速大产生径向速度，出口形成涡流，有效散热空气减少，建议加导流板。

图6同一风扇在三个不同工作点运行并展示不同扩散气流的FloTHERM模型

第五考虑点：优化设计壳体通风孔尺寸。

不管抽风还是送风散热，空气都需要经过壳体通风孔，不同尺寸与布局通风孔会产生不同压力损失和空气流动速度。抽风系统可能会在入风口处因系统与壳体通风孔设计不合理，导致入口速度大而回流，从而增大压力损失，减低流量而产生产品局部“过热点”。壳体开孔会产生电磁干扰EMC问题。如图7所示。利用铝合金薄板成型的壳体开蜂窝通风孔，开孔率达95%，同时开孔铝板具有EMC屏蔽功能，然而开孔直径过小导致空气流过微小孔压力损失太大，需要用大风扇，增加成本。

图7具有EMC阻隔功能的外壳蜂窝通风孔

无论使用吹气式还是吸气式风扇配置，都需要让空气进入系统。通风孔的尺寸会影响流经系统的空气体积。它还会影响系统内的流动模式，这点可能不太明显。关于风扇尺寸的考虑同样适用于通风孔尺寸。较大的通风孔会降低系统总压降，从而提高流经系统的体积流量。具体流量取决于所有其他几何形状的流动阻力。它还会影响空气经由通风孔进入或离开系统的速度。在吸气式系统中，高速进入的空气所引起的喷射效应会在系统内产生回流区域，从而导致热点的出现。

流畅均匀的气流是良好设计的关键，因此需要谨慎对待通风格栅的详细设计，使压力损失最小，同时保持电磁兼容性和抗干扰性能(EMC/EMI)。设计进气通风格栅时，往往有必要考虑空气如何接近通风孔，要求将解决方案范围扩展到外壳以外，以包含装置的安装表面。

第六考虑点：优化风扇和通风孔在外壳上放置位置与大小。

对于台式电脑、机架安装服务器等设备而言，风扇一般安装在外壳的其中一个侧壁上，风扇的位置则会影响系统内的气流模式。对于吸气式系统，将排气风扇安装在外壳顶部附近有助于确保它能排出系统中最热的空气（因为浮力效应始终存在），否则外壳顶部将会形成一个热空气夹层。相反，在吹气式系统中，应该将进气风扇安装在外壳底部附近，以确保吸入的冷空气在浮力效应的作用下沿着电子设备逐次上升。

第七考虑点：优化PCBA在壳体中的放置。

如图8所示，PCBA在外壳体内不同位置，导致热源位不同；热空气上浮，冷空气进入壳体内，从而流动形态和速度有差别，散热效果不同。

图8路由器PCBA在外壳中放置位置影响散热效果

有一项因素经常被忽视，那就是可以通过调整PCB在外壳内的位置来优化系统散热。在机架系统中，改变卡间距是显而易见的，但在其他系统中，这点可能不那么明显。通过调整PCB的位置可以调节PCB上方和下方的空气流量。细微的改变就有可能改善散热性能，个中缘由可能包括PCB前沿与风扇或通风孔周围的近场气流的相互作用等。

第八考虑点：充分利用壳体导热。

对于壳体完全封闭的电子产品，外壳导热是主要散热机制，热源热量直接通过传导进入壳体，壳体导热均温，壳体与环境自然对流导出产品热量达到散热效果，如航空电子设备箱，智能手机产品。

这时必须考虑如何从外壳散除热量。自然对流到环境中或传导到人手通常是让热量最终离开系统的仅有方式。两种情况下都需要将热量尽可能广泛地散开，以便充分利用外壳的表面积。因此，应该尽可能地提高外壳的导热性能，使它能够像散热器一样扩大受热面积。否则，外壳的热损耗就会降低，同时引起热点的产生，最终因触摸温度超过安全限值而出现问题。

作为系统级散热解决方案，还有一点应当提及，即可以利用导热轨来将热量传递到楔形锁紧器，后者将PCB夹在外部散热的冷壁（例如加固外壳的一部分）上，同时保证板安装的机械稳定性。这种方法仅适用于某些类型的系统，如密封的航空电子设备箱等，但有时候，在其他系统中，如果外壳本身可以用作散热解决方案的一部分，则也可应用同一原理。例如，可以在板安装型元器件上方与金属外壳之间插入导热垫来提供额外的散热。

第九考虑点：壳体内表面增加热扩散功能。

必要时设计内部散热器。在PCBA与壳体直接接触时，利用金属PCBA板；平板热管连接壳体与热源；壳体内部利用石墨薄片均温等。

关于热传导，最后一点涉及到使用内部散热器。根据系统类型，可以使用内部散热器来增强散热。这类散热器要么通过机械方式紧密集成为PCB结构的一部分（例如金属基PCB(MCPCB)），要么作为机械分离式系统级散热解决方案，在PCB或内存模块的上方或背面提供散热。通常，此类解决方案需要从一开始就包含在设计中。

有多种材料可供选择：高定向热解石墨(HOPG)、各类陶瓷、碳化硅(SiC)和平板热管结构。材料和加工成本变动幅度很大，而且使用内部散热器还会增加装配成本，因为热量必须有效地传导到散热器才能起作用。虽然内部散热器是一种改善热性能的简便手段，但应对照其他方案权衡它所带来的好处。

第十考虑点：可以用相变材料减少热冲击。

对于快充设备，可以用相变材料减少热冲击，相变材料可降低产品壳体温度。

第十一考虑点：壳体自然对流电子产品，务必增加辐射换热。

在设计早期，热辐射效应常常被忽略，因为它一般是一个保守假设，而且模型保真度往往并未提供足够精确的表面温度来支持额外的计算开销。如果认为辐射热损耗很重要，可以将其效应表示为对流热传递系数的增加；对于辐射率较高的材料（例如大于0.8），可以将上述系数增加大约5W/m2K。

详细设计期间应当考虑辐射效应，这样既可避免一般的过度设计，也可避免发生问题。例如，一块电路板上的温度敏感型元器件可能会被相邻PCB上的高功耗元器件的辐射加热。当自然对流对散热起到重大作用时，辐射尤其重要。例如，在通过自然对流散热的机架系统中，板间辐射和对子机架侧面板的辐射会显著降低机架上的温度变化，从而防止对中央位置的电路板进行过度的散热设计。表面辐射率会影响热损耗；对于金属外壳，有必要测试仿真结果的敏感度，以确定是否值得在外壳内部增加涂层或涂漆。

还有一点值得特别说明，那就是太阳能辐射。对于暴露在阳光下的室外设备而言，太阳能加热可能构成一项重大挑战。为了屏蔽阳光对电子设备的加热效应，可能需要采取双重外壳设计，既提供受控通风，又提供额外加热以防止霜冻。针对这种用途，可使用专门的机箱。应当注意，外壳的颜色会影响太阳光吸收率，因而也很重要。

第十二考虑点：外壳和电子设备协同设计。

在概念设计期间，有可能仅获得一个非常简单的外壳表示，但另一方面，来自其他设计方面的约束也非常少，因此有更大的空间可供施展，有利于设计出兼具高散热效率和低设计、制造、运行成本的外壳。随着其他设计方面的展开，外壳设计需要逐渐优化。一旦将设计细节转化到CAD系统，外壳设计本身的热模型便应更新。随后，它应与CAD几何形状同步更新，以确保这些变更不会对整体热设计产生不利影响。只要PCB布局和任何元器件的散热配置，以及元器件的功耗信息发生变化，便应重新运行系统级模型。务必确保系统的热模型与主要MCAD和EDA设计流程中保存的设计信息同步。

根据最大热载荷来设计系统散热解决方案的做法越来越不切实际，而且性价比也不高。例如，多核计算机和服务器常常会在某些时段以相对较低的工作负荷运行。当今设备在闲置时功耗极低，因而很多时候可以降低散热要求。在设计早期，可以使用代表性的热设计功耗，以便利用稳态计算来研究上述散热解决方案的不同方面。但在详细设计阶段，可能需要考虑不同的使用案例，每个使用案例中的关键元器件具有不同的功率水平；在某些情况下，某些封装芯片的表面甚至有不同的功率分配，例如在高功率密度的移动应用中。

目标是针对各种使用案例优化散热解决方案，以及设计散热解决方案来适应必须支持的不同功率水平，从而使散热解决方案所需的功率最小。最简单的情况可以是：正常工作时，让风扇低速运行；当某个元器件温度超过预定值时，提高风扇转速。

（END）