热设计中，工程师可以优化哪些设计元素实现有效降本

时间： 2024-10-13 来源：Walmate官网

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在散热器设计中，采用有效的降本方式能够提高整体系统的可靠性和效率，同时可以减少不必要的成本。

1. 降额降本

降额设计是一种有目的地降低元器件或产品在工作时承受电、热和机械应力的设计方法。实际生产和使用的场景中，可以通过降低元器件承受的应力，从而提高电子设备的稳定性。

2D、3D封装方式的散热路径示意

降低工作应力：在产品的设计和运行时，可以通过降低工作负载，控制工作频率、限制电流和电压等方法来减少元器件的工作应力。

降低环境应力：通过选择适合的元器件类型、布局和封装形式来降低环境应力，如选择温度裕度较大的元器件，或者使用密封性良好的封装形式，以减少温度、湿度和压力对元器件的影响。

可靠性工程应用：合理的冗余设计、故障检测和隔离等，进一步降低元器件的失效风险。

通过降低元器件在工作时承受的应力，可以降低其功耗和发热量。当功率器件在低于其额定应力条件下工作时，可以降低其耗电量和产热量，有助于提高系统的能效和可靠性。从长远来看，降额设计有效提高元器件寿命、降低故障率、减少维护工作量，进而降低成本。

2. 优化布局

通过合理的布置热元件可以显著提高散热器的工作效率，合理的元器件布局策略可以实现产品性能和成本的平衡。

分散发热元件：将发热量大的元件分散开来，减少单位面积上的热量负荷。

有利于散热的位置：将发热元件放置在有利于散热的位置，如靠近通风口或者设备的边缘。

交错排列：在布局时，将发热元器件与其他一般元器件交错排列，同时尽量使发热元件远离温度敏感元件，以减少其对热敏元件的影响。

改善气流：通过改变走向设计和元件布局，优化气流路径，增大流速，提高换热系数。

元器件间间距建议

3. 冷却方法的选择

随着电子元器件的性能提升和集成度的增加，功率密度不断增大，导致电子元器件在工作时产生的热量也显著增加。在选择电子元器件的散热方法时，温度控制要求主要包含以下方面：

温度范围：不同的元器件对温度容忍的范围不同，如CPU等高性能芯片的工作温度要求在85-100℃之间，而一些低功耗设备可以容忍更高的温度，因此散热系统要确保元器件在安全的温度范围内工作。

温度控制精度：在一些温度控制要求严格的场景中，需要采用能够精确控制温度的散热方案，以免过高过低的温度造成元器件性能下降，甚至损坏。

环境温度：电子设备的散热效果不仅取决于器件自身的散热能力，还受到周围环境温度的影响，散热设计需要考虑环境温度变化，并尽可能通过散热手段保持设备在适宜的温度范围内。

功耗和可靠性：一些低功率电子元器件在发热量较低时，可以采用自然散热，对于高功耗设备则需要更高效的散热技术以确保其在高负荷运行时保持正常的性能并延长使用寿命。

密封性和密集性：在密封及高密度组装的器件中，如果发热量不高，可以依赖自然散热。而当元器件密集且发热量大的情形下，需要强制散热或液体冷却等更为有效的散热技术。液体冷却和热管技术在高功耗、大发热量的场景，如行波管、磁控管、功放管等高功率电子元器件，服务器和高功耗设备，以及新能源汽车三电系统，有其独特的应用优势。

在选择电子元器件的散热方式时需要综合考虑发热量和热流密度、环境温度与工作温度、空间约束与热隔离需要及成本与可行性等要素。通过运用适当的散热技术及散热装置保证元器件在适宜的温度下运行，可以有效降低系统更换和维护成本。此外复用历史项目也是降低开发制造成本，提升可靠性的有效策略。

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