手持式干擾機的傅氏級數熱布局優化

摘 要： 針對手持式干擾機熱布局的需要，利用傅里葉級數對影響熱阻的因素進行優先級劃分，通過芯片對熱阻值影響的優先級依次對芯片進行布局，得到手持式干擾機電路板上芯片的最優布局方案。利用有限元分析軟件ANSYS對最優布局方案進行仿真，結果表明，通過利用傅里葉級數對手持式干擾機電路板上的芯片進行優化布局，手持式干擾機的熱阻值減小，散熱變快。芯片的最高溫度降低了4.75%，可靠性得到了提高。

關鍵詞： 熱分析； 傅里葉變換； 最優布局； 有限元分析

中圖分類號： TN305.94?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0131?05

Abstract： According to the heat layout needs of the handheld jammer， the factors affecting on the thermal resistance are performed for priority division with Fourier series. The chips are successively placed according to the chips priority affecting on the thermal resistance to obtain the optimal layout scheme of the chips on the handhold jammer circuit board. The optimal layout scheme was simulated with the finite element analysis software ANSYS. The results show that the Fourier series used for optimal layout of the chips on the handheld jammer circuit board can reduce the thermal resistance of the handheld jammer and quicken the heat dissipation， the maximum temperature of the chip is reduced by 4.75%， and the reliability of the handheld jammer is improved.

Keywords： thermal analysis； Fourier transform； optimal layout； finite element analysis

0 引 言

手持式干擾機以其體積小、隱蔽性好、重量輕和性能優良等顯著特點成為干擾衛星信號的首選。但隨著手持式干擾機體積的縮小，其內部元器件集成度越來越高，系統溫度也隨之越來越高。據統計，電子設備的主要失效形式就是熱失效。隨著溫度的增加，電子設備的失效率呈指數增長[1]。因此，對手持式干擾機電路板進行熱設計，提高電路的可靠性和壽命具有重要意義[2]。

電路板溫度升高的主要因素有以下幾個方面：電子元器件布局密集、使用大功率集成芯片、電子設備長時間工作等[2]。目前，通常采用大量的仿真求解熱傳導方程，然后通過改變某一個變量來了解其變化趨勢，馬靜等人通過元器件的布局優化分析得到了合適的布局方案，對比分析了考慮散熱措施時的溫度場分布[3]，但是這種利用仿真的方法很難展現出其數學趨勢，并且需要大量的仿真工作。Wang P等人解釋了傅里葉級數的多個熱源，但是并沒有分析其幾何效應的趨勢[4]。

本文提出一種傅里葉級數的熱阻分析方法，將不同布局下的芯片對熱阻的影響歸結到熱阻的系數矩陣上，利用改變芯片位置的方法將熱阻值控制到最小。最后通過有限元分析軟件ANSYS對布局優化結果進行分析，以仿真實驗的方法驗證了所提出的熱布局優化方法的有效性。

1 熱模型簡化分析

1.1 模型簡化假設

對手持式干擾機模型的假設包括兩個方面：一是對手持式干擾機電路板元器件簡化的假設；二是散熱條件的假設。

對手持式干擾機的電路板簡化包括兩個部分的內容：對SMC/SMD的合理簡化；對PCB電路板的合理簡化。首先考慮對SMC/SMD的簡化替代。小外形的片式電容器、電阻器，由于其體積小，熱容量小，在工作中產生的熱量可以忽略，在進行計算時可將其作為質量點加入到PCB基板上[5]。對于規則外形的發熱元器件，在計算時忽略其引腳以規則的幾何外形代替[6]。對于電路板的簡化，主要考慮其層數以及電路板上金屬布線對材料參數的影響。對于單一材料，其材料參數是各向同性的，但對于有金屬布線以及多層電路板，其材料參數將呈現各向異性[7]。對于各向異性材料的電路板，將采用平均材料參數的方法對其進行簡化。

對散熱條件的假設也包括兩部分內容。考慮到電路板的兩種散熱途徑：通過熱傳導將熱量分散到電路板上；通過熱對流將熱量分散到空氣中。在兼顧精度和計算量的情況下，對于給定材料的電路板，其熱傳導系數假設為常數；熱量在空氣中的熱對流系數假設為常數。因此，本文的分析中只考慮熱傳導、生熱率、對流系數和溫度這4個條件。

1.2 熱簡化模型的建立

在對手持式干擾機電路板進行簡化假設后，需要對電路板建立簡化模型。手持式干擾機電路板上主要有三個發熱芯片，分別為控制芯片、信號產生芯片和功放芯片。控制芯片為STM32F103，信號產生芯片為AD9854，功放芯片為TRF37C75，其具體尺寸和功耗見表1。

4 結 論

本文對影響熱阻的因素進行分析，通過將熱阻擴展成傅里葉級數的形式確定熱阻大小與發熱芯片位置的關系，得到了手持式干擾機電路板中芯片的最優布局方案。根據優化方案，利用有限元分析軟件對優化前后的電路板最高溫度進行定量分析。結果表明，通過改變發熱芯片的位置可以有效降低手持式干擾機電路板的最高溫度，為低功耗小型化手持設備的電路板熱布局優化提供了一種有效方法。

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