【正文】 大的降額，適用于設(shè)備故障將會(huì)危及安全，導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的情況； Ⅱ級(jí)降額：工作應(yīng)力減小對(duì)元器件可靠性增長(zhǎng)有明顯效益，適用于設(shè)備故障會(huì)使工作任務(wù)降級(jí)，或需支付不合理的維修費(fèi)用。降額設(shè)計(jì)就是使電子元器件的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，從而達(dá)到降低基本故障率，保證系統(tǒng)工作的可靠性。 ? 整流濾波電路：整流電路是由二極管構(gòu)成的橋式整流電路、電容構(gòu)成濾波電路。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn)以電源系統(tǒng)為依托 ，對(duì)其中最關(guān)鍵的功率器件進(jìn)行熱分析，并對(duì)功率器件選用的散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)從而達(dá)到功率器件與散熱器的最優(yōu)匹配，再對(duì)優(yōu)化后的散熱器進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證和評(píng)估，這也為同學(xué)今后在走向工作崗位的時(shí)候掌握功率器件熱設(shè)計(jì)和散熱器優(yōu)化提供工程實(shí)用的方法。功率器件發(fā)熱量 大，溫度高，一般僅靠器件外殼散熱難以滿足器件的溫度要求，需要合理安裝散熱器來(lái)輔助散熱。傳統(tǒng)的方法是根據(jù)功率器件的功耗及形狀、尺寸大小來(lái)選擇散熱器，并沒(méi)有考慮散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2. 實(shí)驗(yàn)儀器 本次實(shí)驗(yàn)中用到的實(shí)驗(yàn)儀器如表 所示： 表 實(shí)驗(yàn)儀器表 實(shí)驗(yàn)裝置 數(shù)量 16 路測(cè)溫系統(tǒng) 1 非接觸測(cè)溫儀 1 萬(wàn)用表 1 微機(jī)及 Qfin軟件 各 1 3. 實(shí)驗(yàn)原理 . 電 源系統(tǒng)組成及工作原理 . 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 輸入電壓： 220V 電源輸出： 2~20V 1A 2~20V 1A +5V 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 2 電源內(nèi)阻： 紋波： 1mV 輸出具有短路保護(hù)功能，電源系統(tǒng)工作環(huán)境溫度 50℃。 ? 穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路采用穩(wěn)壓模塊即： LM31 LM337 和 LM7805，輔助電路采用了大容量電解電容，有效地濾出了紋波。電子元器件的故障率對(duì)電應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，因此降額設(shè)計(jì)在軍用電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中最常用的方法。 Ⅲ級(jí)降額：Ⅲ級(jí)降額是最小的降額，這種降額的可靠性增長(zhǎng)效果和所花費(fèi)的代價(jià)相比是最高的。 表 集成穩(wěn)壓調(diào)整器的降額準(zhǔn)則 集成穩(wěn)壓調(diào)整器 降 額 參 數(shù) 降額等級(jí) Ⅰ 級(jí)降額 Ⅱ 級(jí)降額 Ⅲ 級(jí)降額 電源電壓（最大絕對(duì)值） 輸入電壓（最大絕對(duì)值） 輸入輸出電壓差 輸出電流（最大絕對(duì)值） 最高結(jié)溫（℃） 80 95 105 . 電源系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì) 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是：通過(guò)熱設(shè)計(jì)在滿足性能要求的前提下盡可能減少設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量；減少熱阻；選擇合理的冷卻方式。 熱設(shè)計(jì)中冷卻方法的選擇 a． 自然散熱 b． 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 5 c． 液體冷卻 d． 蒸發(fā)冷卻 e． 半導(dǎo)體制冷 f． 熱管散熱 按照器件（設(shè)備）表面散熱功率密度或體積發(fā)熱功率密度，一般冷卻方法優(yōu)選順序：自然散熱、強(qiáng)制風(fēng)冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻。散熱器過(guò)盈，不但浪費(fèi)材料、體積過(guò)大，而且重量過(guò)高這些都不符合航空航天設(shè)備重量盡可能輕，體積盡可能小的特殊要求；散熱器散熱不足，功率器件產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)的與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，器件溫度過(guò)高不但器件可靠性降低，還可能燒毀器件。 . 散熱器的特性 散熱器的種類很多，最常見(jiàn)的功率器件散熱器是型材散熱器，設(shè)計(jì)中使用的散熱器就是這種類型的散熱器，該類散熱器主要由兩部分組成，基座和肋片。所以，對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化，一般不將基座厚度和肋片厚度作為優(yōu)化變量。 . 散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì) 散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程如圖 所示： 圖 散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖 散熱器熱阻是選擇散熱器的主要依據(jù)。在航空航天領(lǐng)域無(wú)法滿足設(shè)備體積小、質(zhì)量輕的要求。 QFin 軟件中提供了多種優(yōu)化目標(biāo)的選擇，對(duì) LM317 所用散熱器的優(yōu)化?？紤]到散熱器的強(qiáng)度、加工方便以及功率器件的尺寸大小，肋片厚度如果太薄，其強(qiáng)度不夠，同時(shí)也會(huì)增加加工難度。 . Qfin軟件簡(jiǎn)介 Qfin 軟件是從國(guó)外引進(jìn)的散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)專用軟件，是 Fluent 公司和 ATT 公司共同研制開(kāi)發(fā)的散熱器設(shè)計(jì)和優(yōu)化專業(yè)軟件。它還能夠?qū)崿F(xiàn)二維和三維直觀的后處理結(jié)果，提供數(shù)值報(bào)告。 Qfin軟件采用了一些簡(jiǎn)化原則使建模較為簡(jiǎn)單，例如， Qfin 軟件對(duì)于熱源的簡(jiǎn)化， 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 8 忽略其厚度視作二維處理；對(duì)于散熱器的建模，將肋片上的細(xì)小溝槽忽略不計(jì)。 ② 接入穩(wěn)壓電路（設(shè) LM317穩(wěn)壓電路為第一路，其輸入輸出電壓分別為 1iU 和 1oU ；LM337 穩(wěn)壓電路為第二路，其輸入輸出電壓分別為 2iU 和 2oU ； LM7805 穩(wěn)壓電路為第三路，其輸入輸出分別為 3iU 和 3oU ）。 ⑤ 計(jì)算三路的輸入功率 Pi Pi Pi3 和三個(gè)電阻的功耗 Po Po Po3。其它實(shí)驗(yàn)步驟同上②、③、④步驟。這對(duì)于延長(zhǎng)該器件的使用壽命是很重要的。綜合上面的分析結(jié)果可知，盡管優(yōu)化后中心溫度較優(yōu)化前的有所提高，但是嚴(yán)格的控制在功率器件的散熱要求的范圍之內(nèi)的，相對(duì)于優(yōu)化前的散熱器來(lái)說(shuō)，它的質(zhì)量減輕了很多，結(jié)構(gòu)也更加的合理，這對(duì)于航空航天領(lǐng)域電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是十分重大的改善，所以優(yōu)化后的散熱器比優(yōu)化前更加合理。對(duì)于本組的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差我覺(jué)得有以下幾點(diǎn)原因： （ 1）測(cè)溫儀觸頭與 LM317 接觸不夠好。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該提供散熱器的精確尺寸和其他參數(shù)，這樣進(jìn)行仿真會(huì)比較接近真實(shí)情況。除了這些我還有以下一些體會(huì)： （ 1）團(tuán)隊(duì)合作很重要。 （ 3）做科研光靠經(jīng)驗(yàn)是不夠的，要有科學(xué)的理論分析為依托。本實(shí)驗(yàn)在熱設(shè)計(jì)理論研究的基礎(chǔ)上，提出了功率器件的熱設(shè)計(jì)及散熱器優(yōu)化方案，即用建立熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法，根據(jù)熱阻初選散熱器，在所選散熱器的基礎(chǔ)上，借助 Qfin 軟件對(duì)初選散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 。從而最大限度的滿足航空航天設(shè)備的要求。以往的工程經(jīng)驗(yàn)只是單純從功率器件功耗和尺寸大小的角度，任憑經(jīng)驗(yàn)粗略選擇散熱器，沒(méi)有對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣做的結(jié)果不但導(dǎo)致所選散熱器的散熱能力可能過(guò)盈或不足。 （ 2）做事要有耐心。 6. 實(shí)驗(yàn)心得體會(huì) 通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我掌握了散熱器熱阻的計(jì)算，學(xué)會(huì)了對(duì)熱源進(jìn)行功率分析，選用合適的散熱器，并根據(jù)實(shí)際條件對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化，包括提高散熱效率，降低散熱器質(zhì)量和所占用的體積等。隨著溫度的升高，膠布的粘性降低，導(dǎo)致連接松動(dòng)。 在實(shí)驗(yàn)中軟件模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果有較大的差值，這是因?yàn)橛绊懮崞魃嵝阅艿囊蛩睾芏?，主要有：接觸熱阻、功耗、輻射以及環(huán)境溫度。但從直觀上來(lái)看，優(yōu)化后的散熱器所占的空間明顯減小。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 11 表 散熱器優(yōu)化前降額實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 1K 、 2K 、 3K 斷開(kāi)（降額） iU （ V） oU （ V） UT （℃） 1iU 2iU 3iU 1oU 2oU 3oU 1UT 2UT 3UT Ii（ A） Ii1 Ii2 Ii3 Pi Po P= Pi－ Po Pi1 Pi2 Pi3 Po1 Po2 Po3 1P 2P 3P 表 散熱器未優(yōu)化降額前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 1K 、 2K 、 3K 閉合（降額前） iU （ V） oU （ V） UT （℃） 1iU 2iU 3iU 1oU 2oU 3oU 1UT 2UT 3UT 表 散熱器優(yōu)化后降額實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 1K 、 2K 、 3K 斷開(kāi)（降額） +優(yōu)化 iU （ V