【热设计】电子机箱热设计完整指南：14个关键考虑因素（上）

在探讨电子机箱热设计的14个关键考虑因素之前，我们先思考为什么要在系统，或者说机箱的层面上考虑热问题。

设计电子产品时，焦点自然而然在于电子元件本身。无论是标准化的机架系统，还是像智能手机或平板电脑外壳这样的定制机箱，或者是其他产品的一部分，如汽车仪表板或飞机驾驶舱，这些电子元件需要被置于某种类型的机箱中。

在所有情况下，包括标准化的机架系统，设计电子元件时都必须考虑机箱的设计，因为机箱可以起到屏障或导管的作用，将热量传导到环境中，或者两者兼有。冷却是一个系统问题，因此我们提倡从机箱级别开始，采用自上向下的方法。

通常情况下，机箱内部的气流十分复杂，这使得CFD工具成为开发成功设计的唯一可行方法。气流受到电子元件和机箱设计的影响，因此电子元件和机箱相互作用，以提供应用热环境。在绝大多数情况下，主要的冷却介质是环境空气。即使在像笔记本电脑这样空间非常有限的产品中，设计师也会考虑循环空气，以提高冷却性能。当然，将热扩散和传导到机箱外壳也很重要。

每当需要机箱级别的气流预测时，Simcenter Flotherm™一直是行业近30年来的首选工具。

图1.在Simcenter Flotherm中建模的1U服务器的气流分布

Simcenter Flotherm采用CAD术语中 “直接建模”方法，即通过图形方式来创建对象、调整大小、重新定位，而不是通过输入尺寸参数来定义（尽管这也是可能的）。因此，在早期设计阶段使用起来非常快速，模型可以在几分钟内构建完成，并在几秒内求解。此外，Simcenter Flotherm仿真对象是按照许多产品开发中同样的层次顺序来表示的：有一个主配件（main assembly），带有子配件和零件，并且所有零件属性都直接链接到零件对象，可以直接查看。而不需要将不同的层次结构映射到彼此，这节省了很多时间，并降低错误率。

安装电子元件时，电子机箱热设计的关键在于优化系统的空气流动。这并不是说要在电子元件设计完成后才开始进行，相反，为了确保设计时间最短、设计成本最低，并得到一个具有低成本、高可靠性冷却解决方案的产品，协同设计至关重要。其黄金法则是“尽早开始，由简到繁”。

这种协同设计可以从概念设计阶段开始。实际上，这可能是确保电子架构设计正确的前提条件。在机箱设计具有灵活性的情况下，Simcenter Flotherm和Simcenter Flotherm XT提供机箱智能部件（SmartPart），支持快速的机箱参数化定义表征。

在其他情况下，机箱设计可能在很大程度上是预定义的，但仍可能需要优化机箱，以冷却电子元件。对于Simcenter Flotherm，Simcenter FLOMCAD Bridge提供了简化和导入本地CAD和标准CAD中性文件格式的能力。对于Simcenter Flotherm XT，可以直接在软件中使用Simcenter Flotherm XT的内置CAD核心，导入、操作和修改本地CAD几何形状和标准CAD中性文件格式。

主要的设计流程，包括MCAD和EDA（或ECAD），都侧重于物理几何形状，从冷却的角度来看，这错过了大多数电子设计中最重要的部分——空气间隙。因此，我们有了第一个关键考虑因素。

图2. 响应面显示挡板位置对结温变化的影响

“空白区域”指的是设计中几何形状之间的所有空隙。并非所有的空隙都会在冷却电子设备时发挥重要作用，但在许多情况下，为冷却空气提供足够的通行空间是设计的重要部分。热设计工程师面临的一个问题是，空气不是与产品相关的材料清单的一部分。因此，工程师可以调整甚至关闭这些间隙，而无需提起任何变更请求。即使这种情况没有发生，其他设计人员也可以自由地填充这些空间，例如使用电缆将电路板和其他组件连接在一起。

图3.用于计算机硬盘驱动器的带状电缆

这些电缆可能不会填满空间，但它们会减少气流的可用面积，增加表面积，从而减小通道的有效水力直径，因此减小其流量，对于配备风扇的系统，增加了压降。对于无风扇系统，位于空气导管中的电缆会完全阻塞该导管中的气流。尤其是横放在气流上的带状电缆，会对系统气流产生严重的干扰影响。因此，在从散热角度考虑电路板的设计时，不仅要注意高功耗组件，还要注意连接的地方。

解决此问题的一种方法是让MCAD设计师将重要的气隙设置为虚拟部件，然后在更改该部件时需要提出变更请求，并且需要热设计工程师参与批准。

必要的开放式对流系统

由于其普及性，我们首先讨论设计开放系统时的关键考虑因素，然后再来讨论封闭或密封系统。

有不同类型的风扇可供选择——轴流式、离心式、径向式，甚至混流式风扇。它们具有不同的流量与压力特性。

图4.用于电子散热的常见风扇类型

径向风扇通常产生最高的最大压升，但以较低的最大流量为代价。

图5.不同风扇类型的标准压力与体积流量的关系

为了实现相同的空气流量，尽管具有不同的流量和压升特性，如果空间允许的话,可能需要在低转速大风扇和高转速小风扇之间进行选择。

低转速大风扇的优点是，它产生较少的气动噪声，并且寿命更长。在早期设计中使用较大的风扇是保守的做法，它存在初始功率估算可能偏低的风险。之后可以使用较小的风扇，但反过来可能行不通。这不仅涉及找到安装更大风扇的空间的问题，而且因为风扇需要在进气口和出气口各留出大约一个风扇直径的自由空间，而这是行不通的。

如果设计的功率低于预期值，那么之后可以减小风扇尺寸，或者用同一尺寸，但成本更低、功耗更低的风扇替换。这也为散热解决方案的智能化提供了空间（将在后文介绍）。显然，大的风扇可能会更昂贵，并且电磁辐射（EMC）更难控制，这取决于设备的屏蔽方式。安装在风扇上的保护罩可以接地到机箱外壳，从而减少EMC问题。

另一个系统级设计常见的考虑因素是选择“推”式还是“拉”式布局，即是否使用风扇将空气推出系统或从系统中抽出空气。一般来说，拉式布局是最常见的，在大多数桌面、台式机和笔记本电脑中都可以找到。在这种布局中，空气通过通风口被单个风扇或风扇组抽出机箱并排除。

在拉式布局中，电子元件（例如一排板卡）起到了流动阻力的作用，这有助于通过卡槽平衡气流流动。对于定制系统而言，在PCB的设计不会改变的情况下，可以优化PCB板的间距，以使每块电路板达到最佳的冷却效果。对于需要容纳一系列PCB板的模块化系统，这些PCB通常来自不同的供应商，并且在系统的使用寿命内可能需要升级，这种方法并不推荐。

一些系统可能需要双重推拉布局，以实现更高的流量。

如果使用拉式布局，系统内的静压将低于环境压力。因此，系统中的任何泄漏都将使空气渗入系统，并可能绕过电子元件，因此不会对系统进行冷却。这种空气也将绕过任何旨在防止灰尘和污垢进入系统的进气过滤器。相反，如果使用推式布局，空气可能会泄漏出去，也不会对系统冷却产生作用。

在详细设计阶段，或者更早的时候，重新使用现有机箱，应使用机箱的机械设计作为CAD模型，并特别注意壳的连接处。