稳态还是瞬态?
设计人员和热分析人员需要一起探讨应在何种工作状态下进行分析才能使设计达到满意。用额定功率进行稳态分析可行吗?或者还是要用最大功耗?这些部件是同时运行呢还是运行的切换时间之间有较长延迟?如果是后者,则需要进行瞬态分析。通常情况下可用最大功耗对所有组件进行稳态分析,如果此时所有组件都低于可接受的最高温度,就无需再作进一步研究。然而很多组件都可能超过允许的温度范围,所以这种方法一般都通不过。
计算组件温度最准确的方法是作瞬态热分析,它能将组件功耗随时间的波动情况考虑进来。但是确定组件的瞬时功耗十分困难,在有限的设计时间内要想对 PCB 上所有组件进行此项工作是根本无法完成的 ( 图 3) ,瞬态分析还需要将很多相关数据如质量及热容量等数据输入到热模型中。一个比较好的折衷方法是在稳态条件下分别进行额定和最差状况分析。
热边界条件
PCB 受到各种类型热量的影响,可以应用的典型热边界条件包括:
‧ 前后表面发出的自然或强制对流;
‧ 前后表面发出的热辐射;
‧ 从 PCB 边缘到设备外壳的传导;
‧ 通过刚性或挠性连接器到其它 PCB 的传导;
‧ 从 PCB 到支架 ( 螺栓或黏合固定 ) 的传导;
‧ 两个 PCB 夹层之间散热器的传导。
两表面间的辐射传热与温度的四次方成正比,除非两表面间温差很大,否则其影响非常小。在太空中的人造卫星上,辐射是唯一传热方式,而在汽车或消费电子应用中如果组件温度不是接近于运行极限,通常对此不作考虑。
自然对流是指由于气体温度差异导致浮力而产生的气流,例如冷却架上垂直排列的一组 PCB ,这里气流可以穿越于 PCB 之间,底部的冷空气藉由工作中的 PCB 时将被加热,于是就产生了气流。
更有效的冷却方法是强制对流,通常用一个或一组风扇来实现。对流传热与传热系数及表面与空气的温差成正比,自然对流的传热系数通常在 2 ~ 25W/m 2 K 之间,强迫对流通常在 25 ~ 250W/m 2 K 之间。有许多经验公式可用于确定对流传热系数,一般 PCB 采用平面型应用公式。