基于熱設(shè)計(jì)的某功放一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹鳳朋

摘 要：功放的設(shè)計(jì)中有很多問題需要進(jìn)行思考和探究，文章以熱設(shè)計(jì)為研究的主要內(nèi)容。闡述了該功放單元以熱設(shè)計(jì)為核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，散熱器完成了某功放單元整體結(jié)構(gòu)與散熱一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)使設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備上架要求。

關(guān)鍵詞：電子；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；功放

中圖分類號(hào)：F407.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）24-0028-02

1 概 述

伴隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)揮在那，測(cè)控、通信、雷達(dá)其工作頻率逐漸發(fā)展至毫米波頻段，位于發(fā)射鏈路末端的功放單元是發(fā)射鏈路中的核心設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)控精度、通信質(zhì)量、作用半徑各個(gè)方面有決定性影響。固態(tài)功放單元是由數(shù)個(gè)功放模塊組成的，結(jié)合數(shù)個(gè)模塊的合成輸出大的功率。功放模塊是功率模塊，它擁有功率大、功耗大、體積小、工作電壓高這些特點(diǎn)，功放模塊的散熱不僅僅是功放設(shè)備散熱的核心要點(diǎn)。需要選擇合理的散熱和冷卻方法，設(shè)計(jì)行之有效的散熱系統(tǒng)，充分的把電子元器件的溫度定在在規(guī)定的數(shù)值下面，因此對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著較高的要求。可有效的提高設(shè)備的可靠性，加快研制周期，在設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，已經(jīng)重要發(fā)展趨勢(shì)。

大功率設(shè)備的結(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，相關(guān)文獻(xiàn)主要注重散熱問題的解決[1-2]，忽略設(shè)備的整體一體化設(shè)計(jì)。這篇文章以熱設(shè)計(jì)為核心，應(yīng)用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器達(dá)到了某功放單元設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)與散熱一體化設(shè)計(jì)，功放單元結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備上架要求。

2 電子產(chǎn)品散熱方式

目前電子設(shè)備的散熱方式主要包括自然對(duì)流散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、微通道散熱、熱電制冷等。有時(shí)減小接觸熱阻也能起到事半功倍的效果。自然對(duì)流散熱的散熱能力有限；液冷的散熱效果比較顯著，但散熱系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高；強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱可滿足熱流密度在0.08～0.3 W/cm2的電子設(shè)備的散熱需求，且具有工作可靠、易于維修保養(yǎng)、成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用。熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)熱流密度和應(yīng)用環(huán)境選擇一種或幾種較成熟的散熱方式，并統(tǒng)籌考慮成本及可靠性等因素。這些要求都與功放的散熱設(shè)計(jì)相矛盾。[3]

3 熱設(shè)計(jì)仿真設(shè)計(jì)

對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱場(chǎng)分布的分析和研究，是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在實(shí)際的操作中，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)熱的傳播方式和產(chǎn)生機(jī)理，采用科學(xué)合理的熱設(shè)計(jì)方法，只有這樣，才能保證電子設(shè)備在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)正常的運(yùn)行。目前為止，應(yīng)用比較廣泛的電子冷卻軟件有Icepak和Flotherm，通過它們可以把電子產(chǎn)品的熱效應(yīng)分析放在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，從而解決了優(yōu)化電子系統(tǒng)自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流方案以及優(yōu)化電子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的問題。與Flotherm相比，Icepak具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①采用FLUENT5的結(jié)算方法和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采 用TVD等高分辨率格式，保證了計(jì)算的精度。

②采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，把比較復(fù)雜的幾何外形轉(zhuǎn)化為三維的六面體或四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而滿足了現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中幾何圖形越來越復(fù)雜的需求。

③它可以為電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供豐富的物理模型，通過物理模型可以模擬穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)、湍流、層流、熱輻射、熱傳導(dǎo)、混合對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流等現(xiàn)象。

最近幾年，又出現(xiàn)了新一代的熱設(shè)計(jì)仿真軟件ICEPAK，它以有限體積法作為求解器，可以模擬真實(shí)的流速場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)，從而幫助設(shè)計(jì)師提高設(shè)計(jì)水平、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、縮短項(xiàng)目研制周期、降低成本，在流體流動(dòng)為重點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，它更能發(fā)揮出有限體積法的便捷和優(yōu)勢(shì)。[4]

4 物理模型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

該功放單元中的熱流密度相對(duì)較大，主要熱源為功放模塊與電源模塊。各個(gè)功放模塊的熱耗約為300 W，6個(gè)共1 800 W；另外加6個(gè)上功放電源的熱耗600 W，整個(gè)設(shè)備發(fā)熱量共

2 400 W。

考慮到設(shè)備的真正的使用環(huán)境、加工制造成本及其維護(hù)性各方面的因素，結(jié)合功放模塊熱流密度計(jì)算分析，將散熱方案定為自動(dòng)風(fēng)冷方式。自動(dòng)風(fēng)冷換熱系數(shù)是自然冷卻的數(shù)倍，而且有維修性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)、同時(shí)為了提高散熱器的散熱效率，選擇了散熱面積較普通，散熱器高多倍的結(jié)合式插片散熱器。

經(jīng)計(jì)算，流經(jīng)功放模塊的熱流密度為0.69 W/cm2，依據(jù)文獻(xiàn)[3]熱流密度小于0.3 W/cm?？刹扇≈苯訌?qiáng)迫風(fēng)冷，需要安裝與之相適應(yīng)的散熱器，通過采用散熱器增大散熱面積，以滿足強(qiáng)迫風(fēng)冷的要求。

散熱器A（齒高76 mm，厚1.2 mm，間距6.5 mm）上下表面安裝功放模塊；散熱器B（齒高38mm，厚1.2mm，間距6.5 mm）表面安裝電源模塊，并依據(jù)散熱器B的結(jié)構(gòu)尺寸確定電源模塊的結(jié)構(gòu)形式與尺寸。

通過采用4個(gè)風(fēng)機(jī)（最大流量：6.6CMM）并聯(lián)對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽風(fēng)冷卻，并且將發(fā)熱較大的部件置于散熱器中央，另外為了提高散熱效果，盡量增大穿過散熱器肋片間的空氣流量和流速，因此將機(jī)箱內(nèi)散熱齒以外的空余部分多用擋風(fēng)板擋住，使冷卻空氣盡量通過散熱器肋間；散熱器本身是功放模塊、電源、合成器、分路器的結(jié)構(gòu)載體，同時(shí)又是散熱的途徑，如圖1。

5 冷卻系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析與仿真

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常按照經(jīng)驗(yàn)公式估算設(shè)備的溫度，同時(shí)需要考慮風(fēng)道阻力、風(fēng)機(jī)曲線等因素，并且該估算的方法誤差較大，不能準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)備的溫度分布，經(jīng)驗(yàn)公式得到的數(shù)據(jù)僅供參考。由于上述功放單元裝配關(guān)系比較復(fù)雜，借助傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算分析，其結(jié)果勢(shì)必具有更多地偏差。采用CFD熱仿真軟件Icepak對(duì)該功放單元的散熱結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行仿真計(jì)算，該軟件具有先進(jìn)的網(wǎng)格生成技術(shù)，包括自動(dòng)化的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生產(chǎn)能力，支持四面體、六面體以及混合網(wǎng)格，強(qiáng)大的網(wǎng)格檢查功能，并可利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格靈活地完成網(wǎng)格劃分?？紤]到模型的對(duì)稱性與相似性以及計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并對(duì)其六分之一建模。

根據(jù)設(shè)備工作條件為室內(nèi)環(huán)境，設(shè)定溫度為30 ℃，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，空氣設(shè)定為不可壓縮流體；由于電子設(shè)備為強(qiáng)迫空氣冷卻，可忽略輻射換熱的影響，[5-7]熱量傳遞的方式為導(dǎo)熱和強(qiáng)迫對(duì)流；重力方向可以不考慮；采用穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算；依據(jù)雷諾數(shù)值，采用流體的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。補(bǔ)充數(shù)值計(jì)算所需的其他邊界條件、初始條件、收斂判據(jù)后，生成可供軟件直接調(diào)用的分析模型。仿真結(jié)果如圖2所示，功功放模塊的表面溫度為49.9 ℃，電源模塊由于發(fā)熱量小，表面溫度只有42 ℃，通過觀察發(fā)現(xiàn)前端（進(jìn)氣端）溫度稍低于后端，分析是由進(jìn)氣端空氣溫度低引起的；通過觀察發(fā)現(xiàn)散熱器A內(nèi)部的空氣流速不均勻，風(fēng)扇大約為2.2 m/s，如圖3。分析原因是由于風(fēng)道過長(zhǎng)，風(fēng)阻較大引起，散熱器B內(nèi)部風(fēng)速較均勻，風(fēng)速較大為3.3 m/s。

6 實(shí)際樣機(jī)測(cè)試

該功放單元初樣研制完成后，在室內(nèi)溫度為27.5 ℃的情況下，該功放單元開始滿負(fù)荷工作大約60 min后性能趨于穩(wěn)定，使該功放單元達(dá)到了熱平衡。使用帶溫度探針的三用表與紅外溫度計(jì)對(duì)設(shè)備的各點(diǎn)溫度狀況進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

測(cè)試出口處空氣溫度為39.3 ℃，電源模塊外殼溫度比較一致為38.3 ℃，中間功放模塊的外殼溫度為50.3 ℃，兩側(cè)功放模塊外殼溫度為46.2 ℃，取6個(gè)模塊的平均溫度47.5 ℃，由于在室內(nèi)溫度為27.5℃的情況下測(cè)試，考慮到與計(jì)算及仿真結(jié)果的可比性，功放模塊的溫度在環(huán)境溫度升高2.5 ℃的情況下外殼溫度相應(yīng)升高2.5 ℃，為49.5 ℃，電源模塊外殼溫度相應(yīng)升高為40.8 ℃，同時(shí)出口空氣相應(yīng)升高2.5 ℃，為41.8 ℃。通過對(duì)比表1，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間存在一定偏差，計(jì)算模型簡(jiǎn)化、忽略輻射、實(shí)際測(cè)量的誤差是主要因素。[8-12]

7 結(jié) 語(yǔ)

這篇主要以設(shè)備電氣指標(biāo)為主要的方向，采用結(jié)構(gòu)、散熱、電氣一體化設(shè)計(jì)，仿真探討了了功放單元的溫度分布，研制了工程樣機(jī)。經(jīng)過產(chǎn)品的使用驗(yàn)證，該功放單元散熱效果好，設(shè)備工作性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足電氣指標(biāo)。

隨著現(xiàn)代電子的發(fā)展，設(shè)備功率密度越來越高，特別是某些設(shè)備熱耗占總功率的80%～85%，設(shè)備對(duì)可靠性要求進(jìn)一步提高，電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)也越來越重要。大功率電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要結(jié)構(gòu)與散熱一體化設(shè)計(jì)，可參照本文設(shè)計(jì)思路，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真確定合理的散熱結(jié)構(gòu)方案，可以大大縮短產(chǎn)品的研制周期。

參考文獻(xiàn)：

[1] 冷獻(xiàn)春.某固態(tài)功放設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2012，02：44-47.

[2] 束峰濤.一種風(fēng)冷行波管的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2005，21（6）：

15-19.

[3] 呂洪濤.電子設(shè)備散熱技術(shù)探討[J].電子機(jī)械工程，2011，27（5）：

8-12.

[4] 王麗.大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)研究[J].無線電工程，2009，39（1）：

61-64.

[5] 景莘慧.某功放模塊的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2005，21

（5）：19-20.

[6] 李天虹，白超.S頻段250 W室外型固態(tài)功放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信

息，2013（22）：132-135.

[7] 由金光，姚武生.S波段液冷固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)[J].電子信息對(duì)抗技

術(shù)，2011，26（3）：79-82.

[8] 李勤建，高翠琢，邊國(guó)輝.微波功率放大器的熱管散熱設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體 技術(shù)，2012，37（8）：658-661.

[9] 劉一兵.電子器件散熱用微槽平板熱管與微通道傳熱機(jī)理研究[D].

長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2010.

[10] 祁寧.固-固界面接觸熱阻的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)的開發(fā)[D].

南京：南京理工大學(xué)，2013.

[11] 平麗浩，錢吉裕，徐德好.電子裝備熱控新技術(shù)綜述（上）[J].電子機(jī)械

工程，2008，24（1）：1-10.

[12] 趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：8-11.