基于Flotherm的某電子設備功放模塊優化設計

姜磊鵬

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

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基于Flotherm的某電子設備功放模塊優化設計

姜磊鵬

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

摘要：散熱不良導致的熱失效是電子設備失效的主要形式。以某電子設備功放模塊為例，使用專業熱仿真軟件Flotherm分析相同邊界條件下兩種結構的熱效應，尋求最優設計方案。

關鍵詞：電子設備；熱仿真；Flotherm軟件

0引言

隨著電子技術的快速發展，設備的功率密度越來越大，散熱不良導致的熱失效成為電子設備失效的主要形式。據統計，電子設備失效問題中超過60%是因為散熱問題引起的[1-2]。因而，能夠解決電子設備過熱問題的熱分析、熱設計和熱測試技術得到了迅速發展[3]。在產品設計階段進行熱仿真分析，可以得到所計算模型的最高溫度、最低溫度及溫度分布情況。掌握這些重要信息后，可以對模型結構及布局進行合理調整或采用必要的散熱措施[4]，再繼續進行熱分析計算，如此反復迭代，優化模型的熱設計。

實際研究中，傳統的熱力學計算復雜耗時且需要不斷的試驗對比驗證，而通過在產品設計階段應用CFD軟件對產品的熱性能進行預估，以避免可能存在的電子器件散熱問題，可以極大地提高效率，縮短研發周期，降低成本。本文以某電子設備功放模塊為例，使用Flotherm軟件分析相同邊界條件下2種結構的熱效應，尋求最優設計方案。

1功放模塊簡介

功放模塊的主要功能是將所接收的激勵輸出信號進行功率放大。基本流程是：激勵輸出信號進入功放后，首先通過功分器均分為多路信號，然后對每路信號進行獨立放大，最后再通過功分器合成為一路信號，輸出給發射天線，從而增大電子設備的通信范圍。

功放模塊的主要組成部分是功率管，其隨著溫度變化具有一段穩定的線性功率輸出區間，若溫度過高，超出此區間后，增益將迅速下降，影響電子設備正常工作。連續工作狀態下，功率管的結溫計算公式為：

(1)

式中：Tj為結溫(℃)；Tc為殼溫(℃)；Rjc為結殼熱阻(℃/W)；Pdiss為熱耗功率(W)。

2結構設計方案

2.1結構設計方案一

方案一如圖1所示，模塊散熱為兩側風道，其中外側風道為主散熱風道，散熱齒高10 mm(散熱齒與殼體為一體)，內側風道為輔助散熱風道，散熱齒高8 mm(散熱齒與蓋板一體)。

圖1　結構設計方案一

2.2結構設計方案二

方案二如圖2所示，將模塊散熱結構改為外側單風道，散熱齒高度15 mm。

圖2　結構設計方案二

3熱仿真分析

3.1邊界條件

仿真邊界條件設置如下：環境溫度25℃，功放單元170 W，電源單元195 W，數據處理單元作為準絕熱體處理，其主要作用為結構上形成并聯風道。

選用Ebm公司4112NHH型風機，其結構外形尺寸為119 mm×119 mm×38 mm，開口流量260 m3/h，閉口壓力188 Pa，抽風方式冷卻。

3.2結果分析

3.2.1方案一仿真結果

風機工作點如圖3所示，流量85.5 m3/h，工作壓力114 Pa，風機效率31%，出口平均溫度36.27 ℃。

圖3　方案一風機工作點

功放腔內和外側風道溫度分布云圖如圖4所示。各模塊熱功耗、流量、仿真殼壁最高溫度統計如表1所示。

圖4　方案一溫度分布云圖

模塊熱功耗(W)流量(m3/s)模塊出風溫度(℃)功率占比流量占比盒體最高溫度(℃)功放單元1700.0108外風道42.7內風道35.734%42%74.5電源單元1800.007140.536%28%65.6信號處理單元150(未參與計算)0.0074/30%30%/

模塊最高殼溫74.5 ℃，選用的功率管結殼熱阻數值為1.27 ℃/W，結溫為250 ℃。預估結溫為：

Tj=Tc+Rjc·Pdisa=74.5+1.27×65=157℃<250℃

3.2.2方案二仿真結果

風機工作點如圖5示，流量77.26m3/h，工作壓力120Pa，風機效率28%，出口平均溫度37.14℃。

圖5　方案二風機工作點

功放內部溫度分布云圖如圖6示。

圖6　方案二溫度分布云圖

各模塊熱功耗、流量、仿真殼壁最高溫度如表2所示。

模塊最高殼溫69.1 ℃，選用的功率管結殼熱阻數值為1.27 ℃/W，結溫為250 ℃。預估結溫為：

Tj=Tc+Rjc·Pdiss=69.1+1.27×65=151.6℃<250℃。

表2　方案二仿真結果數據統計

3.3小結

從表1和表2可以看出，風機流量的分配基本與設備的功率分配相匹配。其中，方案二改為單風道后，風機總的效率有所下降，分配給功放的風量減小，但全部風量由主風道內換熱，功放模塊發熱器件為單面貼壁(貼主風道內表面)，換熱效率高，模塊出風口溫度較高。所以，方案二的散熱效果較方案一好。

4結束語

應用Flotherm仿真軟件，可以快速有效地得出電子設備熱設計的分析結果，模擬出設備的溫度場分布，從而使設計者對設備的散熱能力有直觀、準確的了解，可以及時發現設計中的問題并予以修改，使其能夠滿足設計需求，尋求最優設計，值得在電子設備熱分析中推廣使用。

參考文獻

[1]趙惇殳．電子設備結構設計原理[M]．南京：江蘇科學技術出版社，1986.

[2]電子設備可靠性熱設計手冊[M].北京：電子工業出版社，1989.

[3]程尚模.傳熱學[M].北京：高等教學出版社，1990.

[4]基于Flotherm的電子電路熱仿真分析與研究[J].現代電子技術，2015.

Optimization Design of Power Amplifier Module for A Certain Electronic Equipment Based on Flotherm

JIANG Lei-peng

(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Abstract:The thermal failure caused by bad heat dissipation is a main mode of electronic equipment failure.Taking the power amplifier of a certain electronic equipment as an example,this paper uses special thermal simulation software Flotherm to analyze the thermal efficiency of two kinds of structures under the same boundary condition,seeks for the most optimized design scheme.

Key words:electronic equipment;thermal simulation;Flotherm software

收稿日期:2015-12-22

中圖分類號：TN722.75

文獻標識碼：B

文章編號：CN32-1413(2016)02-0112-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.027