基于FLOTHERM的固態功率放大器熱設計

王金

摘 要：文章對L波段固態功率放大器整機結構熱設計進行了研究，并結合L波段固態功率放大器設計實例，最后給出了整機的仿真及實物測試結果。

關鍵詞：熱設計；固態功率放大器；熱仿真；FLOTHERM

引言

固態功率放大器主要由功率放大模塊、增益放大模塊、合成模塊、耦合模塊和控制電路等組成，功率放大模塊在大功率條件下工作時，器件發熱量大，使器件處于高溫狀態下工作。而高溫會使元器件電性能惡化，引起失效，導致設備可靠性下降。資料表明：單個半導體元件的溫度升高10 ℃～12 ℃，其可靠性降低50%[1]。隨著器件的密集化，電子設備的功率密度增大，對熱設計的需求也日益強烈。

1 整機結構設計

主要設計指標如下：頻率范圍1GHz～2.5GHz，功率增益≥50dB，最大輸入功率≤10dBm，最大輸出功率≥50dBm，環境適應性滿足GJB3947A-2009環境4級設備要求，另外還有輸入端口駐波比、輸出功率平坦度、1dB壓縮點輸出功率、3dB壓縮點輸出功率、噪聲系數、諧波抑制等指標要求。

功率放大模塊采用某型號功率芯片，單個芯片無論在輸出功率或功率增益方面都無法達到設計要求， 因此， 本方案選用兩極放大串聯的方式滿足功率增益的要求， 其中前級作為推動級， 末級作為功率輸出級，末級使用4路放大并聯的方式滿足輸出功率的要求，前后兩個放大級中的各單管放大電路設計成完全相同的形式。信號流圖如圖1所示。

功率放大模塊中的功率芯片滿載時功耗較高達到115瓦。五個功率放大模塊共有10個芯片，芯片總功耗高達1150瓦，并且該芯片面積小，熱流密度高，散熱難度很大。綜合整機內部信號流、模塊的功能、可裝配性和可維修性等，為了更好的散熱，整機結構布局如圖2所示。

散熱器由上下基板和中間散熱片組成，在機箱高度方向放置于機箱中部，上下基板可以貼附散熱器件，可以最大限度的增加機箱散熱性能。電源自帶散熱風機，因此將電源單獨放置于機箱左側的電源倉，不僅有利于散熱，更有利于屏蔽強電信號。

2 熱設計優化

2.1 風機選擇

機箱內部主要發熱部件有5個功率放大模塊（1150w）、電源（50w）和印制板50w，總功耗為1250瓦。根據GJB3947A-2009環境4級設備要求，環境溫度按40℃設置，排除熱阻影響，空氣溫升設置為？駐t=10℃。

根據熱平衡方程：Q=Cp？籽Qf？駐t（W），可計算出：

Qf=Q/Cp？籽？駐t=1250/[1005×1.06×10]=0.117（m3/s）=250.7（CFM）（1）

式中，Cp為空氣的比熱；ρ為空氣的密度；Q為整個通道的散熱量；Qf為通風量；Δt為風道進出口溫差。

本設計中選用型號為AS12012LB389B00的風機，其單個最大通風量為162.05CFM。考慮到理論計算與實際的誤差，設計總通風量應大于理論通風量，選6組風機3組向機箱內部吹風，三組抽風。通風量共計486.15CFM，可滿足散熱要求。

2.2 熱仿真優化

根據整機結構建立FLOTHERM熱仿真模型，受機箱尺寸和內部器件的限制，散熱器外形尺寸是固定不變的，考慮到重量、機箱強度和安裝需要，基板厚度設置為7mm，材料為鋁板（6061-T651），設置散熱器翅片數量和翅片厚度為輸入優化變量，翅片數量范圍為70-150片，翅片厚度為0.2-2.5mm，輸出變量設置為功率芯片的節溫和散熱器的重量。方案設計和仿真結果如表1所示，方案設計的響應面結果如圖3所示。

通過RSO優化功能得出的最優方案是翅片數量79片，翅片厚度為2.5mm，然而該方案重量高達19kg，重量超出設計要求。優化結果的芯片節溫為93.8℃，環境溫度設置為45℃，因此芯片節溫溫升為48.8℃。為了保證功率芯片的正常工作，以及機箱內部不會有過熱的危險，芯片節溫溫升應該控制在45℃以下。因此該優化結果難以滿足設計要求。

這說明普通風冷散熱器難以滿足設計要求。分析主要原因為芯片面積小，熱密度大，無法將芯片的熱流及時傳導并散出。因此考慮在散熱器基板上芯片底部嵌入熱管，將6mm熱管壓扁到4mm厚度，嵌入散熱器基板。如圖4所示。建立熱仿真模型并優化分析。

通過熱仿真分析得出，當散熱片數量為126，翅片厚度為0.7mm時，芯片節溫為83.1℃，可滿足散熱要求，如圖5所示。

3 實例測試結果

按優化方案設計初樣機，初樣機工作狀態良好，并做高低溫試驗驗證，結果表明本文設計的整機結構可以滿足散熱要求。

環境溫度為40℃的高溫試驗，整機工作30分鐘以上溫度穩定后，通過貼溫度貼測試，芯片表面溫度低于80℃，與熱仿真結果83.1℃基本一致，說明該方案散熱性能良好，滿足設計和使用要求。

參考文獻

[1]趙 .電子設備熱設計[M].北京：電子工業出版社，2009.