繞線發熱單板設計方法研究

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）

繞線發熱單板設計方法研究

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）

為了保證加熱板達到設計要求的升溫且均勻加熱，本文介紹了發熱板利用導線焦耳發熱的設計原理，初步研究了對處于自然散熱環境的繞線發熱板繞線設計方法，并采用仿真手段對設計好的單板進行了驗證。仿真結果表明：設計方法正確，達到了升溫及加熱均勻度的設計要求。

導線焦耳發熱；繞線設計方法；詳細設計；仿真

引言

普通單板應用在低溫環境，或者其具有一定的加熱需求時通常會考慮利用導線通電焦耳發熱的原理來達到提升單板溫度的目的［1-2］。本文通過對處于自然散熱環境的發熱板繞線設計進行討論，并采用仿真手段對理論設計單板的發熱情況進行了驗證［3］。仿真結果與設計要求非常接近，驗證了設計方法的正確性。

1 發熱單板繞線設計

1.1目標設計要求及基本參數

單板發熱繞線設計，需要滿足以下設計參數要求：一是設計表面溫升要求40℃，整板表面溫度均勻性+/-1℃；二是工作電壓0～24 VDC可調，20 VDC時滿足上一條所述設計目標；三是單板需要有過流保護，確定過流保護限值的具體值。

為了達到如上目標，單板基本參數包括環境狀態和單板性質，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PCB板底層完全用銅皮覆蓋（以下簡寫為BOTTOM層）。

表1　單板散熱量計算基本參數

1.2單板散熱量估算

單板設計預計溫升到40℃。為維持單板溫度穩定，其發熱量應等于單板的散熱量。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到設計溫度，理想情況下單板任何局部無溫差，不存在傳熱，局部的發熱量應該等于局部散熱量。

根據傳熱原理，位于自然散熱環境中的單板散熱途徑只有對流和輻射，根據參考文獻［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

為了簡化設計，單板布局采用軸對稱設計，單板局部散熱量計算以對稱的四分之一單板為基礎單位。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面散熱量分區計算（未注明單位為mm）

1.4電阻計算

電源供電范圍24 VDC，設計要求電源調壓至20 VDC滿足設計要求，此時單板表面溫度為65℃，單板散熱量計算結果為8.57 W（根據仿真統計修正表 2估算值）。單板恒溫加熱，所以單板通電產生的焦耳熱應該與單板實際散熱量相等。并聯、串聯繞線方式各有不同。

（1）并聯繞線形式

單板TOP層發熱量為4.72 W，Bottom層發熱量為3.84 W，根據導線發熱功率計算導線熱阻要求如下：

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；通電電流應允許有±10%的裕量，則上層電流限值建議設置在0.26 A，下層電流限值建議設置在0.21 A。

（2）串聯繞線形式：

單板總發熱量為8.57 W，單板Top層發熱量為4.72 W，Bottom層發熱量為3.84 W，根據導線發熱功率計算導線熱阻要求如下：

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，電流限值應允許有±10%的裕量，則電流上限限值建議設置在0.470 A。

從計算結果來看：并聯形式繞線電阻遠遠大于串聯形式，即設計時要采用更長或者更細的導線，對布置不利［4，5］，故建議采用串聯設計，本文以下均將以串聯繞線形式為例。

1.5單板繞線設計

65℃銅電阻率2.05×10-8Ω·m，根據1.4節內容，設計暫定主選1 OZ×6 mil的導線為主要布線導線，根據圖3可以折算出單板局部需要的布線電阻長度，根據布線電阻長度在離散區域內均勻布線，參見圖4，Bottom層參照Top方法執行。

圖3　TOP層電阻布局（還原成完整單板熱阻分布，未計入側面散熱影響）

圖4　TOP層電阻繞線設計（其中黃色部分為走線）

2 實驗設計

樣品實物在實驗室中進行一系列有效真實的測試，最終得出以下一系列真實數據。所需實驗器材如表3所示。

實驗采用器材如表3所示。

表 3 實驗器材

以下為實驗器材設備實物，如圖5所示。實驗板熱電偶粘接點如圖6所示。

圖5　系統配置圖

圖6　單板上表面熱電偶分布

3 實驗結果

在整個單板加載相同熱量時，單板表面亮銅的發熱效果好，單板表面溫升較高；單板表面綠油加鋪銅的發熱效果一般，單板表面溫升較低；從測試結果來看，由于亮銅的表面拋光度較好，熱輻射系數低，導致其表面與環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影響單板散熱。從表4和表5中數據可以得到體現。

（1） 測試結果相對設計結果溫升較小，是由于實測單板設計熱阻比設計熱阻偏大44.3%，則在給一定電壓20 VDC下，實際的發熱量為設計發熱量的69.3%，實測溫差平均值27.5℃，為設計溫升40℃的68.8%，可見實際測試與設計參數差異較大的原因在于成板電阻與設計單板參數有巨大差異。

表4　35℃環境測點溫度及溫升

接表4

查看打樣PCB文件如下，導線銅厚1.2 mil，而設計采用了1oz銅厚，計算65℃下的導線電阻和為35.1和28.7，總電阻為63.8，比設計電阻大17.1 Ω，由于設計電阻較小，所以很小的誤差也會導致非常大的差異，另外焊接和接線等不可控因素引入附加電阻3.6 Ω，實際測試功率偏低，單板溫升變小。

（2） 從測試結果來看，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處溫升較均勻，靠近輸入端口處溫升較低。環境溫度越高，輸入電壓越高，靠近輸入端口處的溫升較遠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，主要是因為Top面較Bottom面的自然對流換熱系數高，對流換熱效果好。

單板左側由于接插口的影響導線布置靠右側，故導致右側加熱效果好于左側，討論需排除7、8點影響，因為其受左側無導線區域影響較大。測試板的鋪銅層僅1.2 mil，設計中建議采用14oz（約0.0198 in）厚銅板均溫，最少也要采用4oz銅皮層，實際板與設計板差異巨大，無法達到均溫的效果，導致單板表面溫度差異較大。

4 仿真驗證

圖7　Top層仿真結果（0.428 A）

采樣單板表面仿真結果制成溫度散點圖，Top層表面的平均溫度為66.43℃，Bottom層表面的平均溫度為66.76℃，單板表面溫度波動范圍在1℃之內，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計要求65℃，這種差異可能是由于銅的導熱率設置差異。根據采樣點的溫度調整導線電流至0.423 A后，單板表面平均溫度約為65.6℃，與設計溫度65℃相對誤差約為1%。

圖8　TOP層單板表面采樣點溫度散點圖（平均溫度66.43℃）

5 結束語

經過反復的測試和樣品驗證，可以確定繞線發熱單板的可行性，確認了覆銅層對單板發熱的影響。在航空、醫療等領域中，外界環境對設備本身的影響很大，通過增加單板繞線發熱技術，可以對設備本身達到恒溫作用，確保電子設備自身的良好運行。

下一步將繼續在實際工業系統應用中調研，實驗和測試單板在發熱過程中的穩定性，觀察記錄其工作狀態和生命周期，為電子設備運行提供穩定的工作溫度。

［1］馮辛安. 機械制造裝備設計［M］. 北京: 機械工業出版社， 2004.

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

［3］GJB/Z 27-1992. 電子設備可靠性熱設計手冊［S］. 北京: 人民交通出版社， 1999: 5-15.

［4］鄭玉鑫. 繞線式電機滑環的發熱與冷卻［J］. 科技創新與應用，2013（22）: 57-57.

［5］廖明. 電氣柜內發熱元件熱設計數值模擬研究［D］. 江蘇: 南京航空航天大學， 2012.

吳林漢（1982-），通信作者，男，江西人，本科，機械設計主管，從事結構熱設計行業。

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

工業技術創新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.027