浅析铲齿散热器的优化设计

知识点：散热器

在功率密度逐渐增大的今天，强迫风冷已经成为大部分产品的主流散热方式，而在强迫风冷系统中，散热器，风扇几乎是我们每个产品的必备散热器件，两者相辅相成。而如何将两者进行一个更好的配合，发挥出最大的效益，这并不是一件容易做到的事情。

两者的配合最关键的是需要考虑到风扇的性能与散热器的阻尼的配合，散热器的阻尼直接决定了风扇的工作点，也就直接影响到了风扇的性能，所以需要在设计时，将散热器阻尼与风扇性能进行匹配，这既能发挥出风扇的最大效益，同时也能降低散热器的成本。

另外散热器的参数设计优化也是非常关键的一步，如何设计出一个高性价比的散热器也需要从多方面进行考虑，散热器的基板厚度，翅片高度与厚度，齿间距，这些都可以进行优化设计，已达到最优的散热效果

根据散热器的不同成型工艺，可大致分为型材散热器，铲齿散热器，插齿散热器，钎焊散热器等等，较为常用的为型材和铲齿散热器。型材制作较为简便,但由于其齿间距的限制，主要用于较小功率器件的散热。

铲齿散热器的齿间距可以设计的更小，翅片可以更薄，所以多用于大功率器件的散热，但由于其成型工艺的特点，每一款散热器都需要从零加工，这也就是说我们在每一个项目设计前期都可以对铲齿散热器的各个部分，包括基板厚度，翅片高度和厚度，齿间距等等数据进行优化。

铲齿散热器

型材散热器

而在我们实际工作中，选用铲齿散热器时多是借鉴之前的项目中使用的铲齿散热器，而铲齿散热器不同于型材散热器，铲齿散热器每一个都需要从零加工，选用之前用过的铲齿散热器并不会降低散热器的成本，也没有达到“因材施教”的效果。

每个项目的功耗和风扇不一样，需要使用的铲齿散热器也不一样，铲齿散热器的基板厚度，翅片厚度，齿间距等等参数将直接影响铲齿散热器的成本，器件的温升，风扇的性能。所以我们在选用铲齿散热器时，尽可能的花一点时间进行一些参数优化。

1.未做到“因材施教”

a).  功耗

功耗的大小对于铲齿散热器的基板厚度要求不一样，器件的功耗传输到散热器存在径向的导热热阻以及法向的扩散热阻，这些热阻是影响器件温升的关键，而产生这两个热阻的主要源头就是散热器的基板，所以基板的厚度需要与实际的功耗相结合进行设计。

 b).  风扇

每一个项目选择的风扇可能不一样，比如在高频UPS使用的多是直流风扇，而在工频UPS多是使用交流风扇，直接风扇与交流风扇在外观上看没有差别，但是其性能差异较大，直流风扇的风压能做到交流风扇的两倍甚至更高，风压越大意味着散热器的阻尼可以越高。所以交流风扇和直流风扇对应的铲齿散热器的齿间距，翅片厚度等有较大的差距。

直流风扇

交流风扇

2.性价比方面的考量

在成本方面进行考虑，选用之前项目用过的风扇，对铲齿散热器的成本无任何影响，因为每个铲齿散热器都是从零开始加工，每一个都需要材料费与加工费，而如果我们进行恰当的设计，在成本和性能之间进行一个较好的匹配，就能设计出性价比更高的铲齿散热器。

3.如何进行铲齿散热器的优化设计？

齿散热器的优化设计主要在基板厚度，翅片高度和厚度，齿间距这几方面进行优化，特殊时候还可以对铲齿散热器的材料，是否镶嵌热管或均温板等进行设计。

主要的优化设计原则就是减小散热器的热阻，以及匹配风扇的性能，这两方面可以通过使用公式进行计算或者使用软件进行仿真来实现，公式计算的误差一般在10%-15%，软件仿真计算的误差一般在5%-10%

1.设计准则

铲齿散热器的常用材料是AL1050，AL1060（导热系数210W/m.k），这两种铝材料较软，在加工时较为容易加工，在翅片高度较低时也可以使用AL6063（导热系数201W/m.k），AL6063的硬度较大，所以一般在翅片高度较低时才会使用。

在要求铲齿散热器有更大的散热量时，会使用CU作为加工材料，CU的导热系数为380W/m.k，导热系数比铝高很多，同时，成本也会增加不少。

以上是使用AL和CU作为铲齿散热器的加工材料时的设计极限，当然这个也根据不用的加工厂家会有一定的出入，部分厂家可能拥有更加高技术的仪器，能把铲齿散热器的设计极限提高不少，这也是可以实现的。

2.成本计算

a).材料费用

备注：括号内计算的是使用材料的厚度，长度需要注意的是，在生产时单个原材料的长度一般为1.5m-3m，在打样时，如只需要500mm的长度，仍然需要承担其他原材料的费用。

a).加工费用

包括模具费用+人工费用等

3.铲齿散热器优化设计

前面提到两种优化方式，公式计算以及仿真计算，公式计算的误差一般在10%-15%，耗时约10-20分钟，软件仿真计算的误差一般在5%-10%，耗时2-4小时。由此可知，我们在前期优化设计时先采用公式计算进行，如需要再进一步精确结果或者之前没有项目参考对公式计算的结果没有把握的情况再使用仿真计算。

公式计算虽然能在较短时间内计算出一个可参考的结果，但公式计算并不会考虑到风扇与散热器阻尼匹配，即风扇工作点的情况，所有也存在一定的设计缺陷，如需计算风扇工作点，需要使用软件计算，则可得到精确的风扇工作点。

这里我们只介绍铲齿散热器的公式计算，整个计算过程涉及的公式有几十个，且计算过程较为复杂，这里就不讲解整个公式的过程，我们可以直接在网站（https://app.aavidgenie.com）上进行填写相关项目信息进行计算得出一个大致的参数设计。

如还需进一步优化，可以与热设计工程师进行合作，使用软件计算把铲齿散热的的参数进一步优化。

以某款旁路模块的铲齿散热器为例，进行一个参数优化，然后在几个方面进行对比：

1.成本计算

a).优化前

b).优化后

此次铲齿散热器的优化，在成本方面基本相同，但在优化后，器件的温度能降低5℃，提升了铲齿散热器的性价比。

2.总结

铲齿散热器的制造工艺不同于型材散热器，所以铲齿散热器在使用过程可以针对每个项目进行更多的参数设计，以匹配每个项目不用的性能。但在我们工作中并没有做到这一步，更多的是直接借用之前项目的散热器直接使用，殊不知，只需花10-20分钟的时间就可以使用公式对铲齿散热器的参数进行一个简单的优化，得到一个铲齿散热器的参数优化解，这将大大的提高铲齿散热器的性价比，也更能保证安装在铲齿散热器上器件的安全性。

当使用公式计算进行铲齿散热器的优化时，误差一般在10%-15%，且可以直接在网站上进行操作，简单方便也快捷，只需对网站（https://app.aavidgenie.com）上的一些参数进行输入即可，整个耗时约20分钟就可以把整个铲齿散热器的优化计算出结果，然后我们再根据结果进行多个方案的对比，最终选出一个最优方案，这样一个过程能降低器件3-8℃的温度，对于一些项目来说，这是一个很可观且很关键的温度降低，根据“十度法则”器件每上升十℃，寿命将减少一半，这也将大大的增加器件的理论寿命。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范