某大功率發射分機的熱設計

何小鴻

摘 要本文針對某大功率發射分機熱功耗大、局部熱流密度高的特點，對機箱和模塊采取了散熱冷卻技術，提出采用模塊、熱管與散熱器綜合一體化設計的散熱方式，通過仿真分析和熱測試，驗證了設備的散熱效果，達到了大功率發射分機的熱設計要求。

【關鍵詞】熱設計 大功率發射 分機熱流 密度熱管 仿真

1 前言

隨著電子設備和系統的集成度越來越高，各種高功率密度元器件的大量應用，使得設備的局部熱流密度越來越大。由于高溫對元器件的壽命影響很大，會導致元器件失效，影響電子設備的可靠性，因此，熱設計成為電子設備結構設計的關鍵技術之一。

本文以某大功率發射分機為例，系統地介紹其組成，針對功能模塊局部熱流密度高的特點，采用熱管與風機等綜合化設計措施，并通過仿真和設備的熱測試，驗證了熱設計方案的可行性，可為大功率發射機的散熱設計提供參考。

2 整機的熱設計

該大功率發射分機的熱耗主要集中在電源模塊和大功率發射模塊，為了有效提高設備的熱傳導效率，在結構設計時，應充分結合產品的體積、質量和散熱功耗大小以及熱阻，對整機的各功能模塊進行合理布局和優化設計有尤為重要。

2.1 熱負荷

初步預估大功率發射分機機箱內部各功能模塊的熱損耗如下表所示。大功率發射分機功能模塊熱耗分布如表1所示。

2.2 熱分析和計算

大功率發射分機安裝在車載方艙中，其環境溫度為55℃，而設備的極限使用溫度為85℃，預留5℃的余量，可得出溫升ΔT=85-55-5=25℃。

大功率發射分機功能模塊總熱功耗預計1320W，由機箱的幾何尺寸為：500mm×420mm×132mm，可得出整機表面熱流密度

根據熱流密度——溫升圖表，如圖1所示。當溫升為25℃時，大功率發射分機需采用強迫風冷的散熱方式。

2.3 熱設計措施和方法

針對大功率發射分機內部電源和功放模塊熱量集中，尤其功放管的熱耗高的特點，如何減少熱阻、提高模塊內部溫度均勻性，對于大功率發射分機的防熱設計采用如下措施：

2.3.1 熱量的合理分布

在大功率發射分機的布局上對各功能模塊進行綜合考慮和優化設計，將發熱量大，功耗高的大功率發射模塊和電源模塊分別與機箱外壁連為一體，充分利用機箱外殼、底座及散熱器進行熱傳導，能迅速將熱量向四周發散。對發射模塊中6個大功率功放管發熱元件進行合理分布，并直接與腔體緊密貼合，在腔體內表面采用鍍金導熱工藝，同時對于熱敏感和耐熱低的元器件、電路或部件布局盡量遠離熱源分布，如圖2所示。

2.3.2 整機風道和散熱器設計

整機的風道設計對設備的散熱起到直接作用，一般平行風道的冷卻系統，要求氣流進入機箱后，形成高的靜壓和低的動壓，以便提高冷卻效果、降低出口和彎曲處的壓力損失。為防止氣流回流，進口風道截面積應大于各分支風道截面積總和。

機箱后面板為風扇安裝區，機箱前后面板開通風孔，風扇朝機箱后面抽風，自后向前形成負壓，風從前面經模塊間的風道向后面運行，帶走模塊上的熱量。整機的風道和散熱器剖視圖，如圖3所示。

為提高電源模塊和大功率發射模塊的散熱效率，將模塊與散熱器進行綜合一體化設計，利用功能模塊的背面空間設計成散熱器，可以有效降低傳統設計中模塊與散熱器之間的熱阻和熱傳遞損失，并在保證散熱的前提下，盡量減少體積、重量。

2.3.3 熱管及其他散熱措施和方法

熱管是利用蒸發相變的原理獲得一個均勻的溫度場，降低了溫度梯度，其熱阻很小，具有很高的導熱性能，可以大幅度提高設備的傳熱能力。

大功率發射模塊的幾何尺寸為：410mm×400mm×40mm，根據熱流密度公式可以計算出大功率發射模塊局部的表面熱流密度約為0.32W/cm2，雖然整機的表面熱流密度允許采用強迫風能散熱，但由于大功率發射模塊發熱集中，其表面熱流密度超過了強迫風冷的極限值，為降低大功率發射模塊的表面熱流密度和功放管殼的溫度，采用了換熱效率高的熱管導熱技術。

在大功率發射模塊背面通過采用熱管與散熱器一體化的設計方式，避免功放管的熱量過渡集中，使熱量在模塊內部能有效分布，能迅速降低大功率功放管安裝面的溫度，并將熱量傳導出去。熱管模型及內部結構布局如圖4所示。

同時，為解決低頻大功率管的絕緣、散熱問題，在管殼與散熱器之間涂氮化硼硅脂等絕緣導熱材料，并在合成功放模塊與熱管散熱器的安裝面之間采用涂導熱硅膠等方法。另外，為降低散熱器的熱阻，可提高其表面加工粗超度等級措施。

2.4 風機選擇

根據大功率發射分機的使用條件，要求整機在環境溫度為55℃的條件下，仍能正常、可靠工作，已知：大功率發射分機總耗散功率為1320W，假定整機出口溫度為70℃，即溫差為15℃，可得出空氣的定性溫度Tm=0.5×（55+70）= 62.5℃。查相關資料，62.5℃時的空氣參數為：空氣比容熱Cp=1006 J/kg·℃，空氣密度：ρ=1.06kg/m3，根據熱平衡方程：

可計算得到整機總需求通風量為Qf=297m3/h，考慮風機的效率及沿程壓力損失對通風量的影響，取安全系數為1.4，則總通風量需求為416m3/h。再根據整機溫升及結構設計要求，選取3個型號為4412FM的軸流風機，單個風機最大風量為140m3/h。主要性能參數如圖5所示。

3 熱仿真與測試評估

根據以上結構布局，采用ICEPAK對機箱強迫風冷散熱進行分析。初始設定3個風機分別工作在壓力流量匹配點為：流量140m3/h，壓力降130Pa狀態下；在模塊內部器件分布不明的條件下，對各模塊設定為體積熱耗，設定工作環境溫度為+55℃，進行強迫風冷散熱仿真，電源模塊和大功率發射模塊的仿真結果如圖6和圖7。

從溫度云圖分布可以看出，電源模塊和大功率發射模塊的散熱設計和措施非常有效，模塊的最高溫升小于21℃，整機的熱量通過傳導和風機的強迫風冷可以滿足散熱要求。

該大功率發射分機在裝配調試后，用ATM2000溫度測試儀分別對模塊和整機進行多點溫度測試，電源模塊和大功率發射模塊的表面散熱數據與仿真數據接近，實際散熱效果良好。測試結果表明該散熱設計有效可靠，可以保證設備內部元器件不超過安全溫度，能長時間穩定運行。

4 結束語

在大功率發射分機的熱設計中，我們根據設備的工作環境，結合整機和各功能單元的技術參數指標，提出最佳的熱設計方案。針對發熱量集中和熱流密度高的特點，采用導熱率高的熱管技術，通過熱管與散熱器的一體化設計，以及優化風道等綜合設計方法和措施極大提高設備的散熱性能。同時，采用ICEPAK軟件對整機和功能模塊進行了熱仿真分析，仿真與設備的熱測試結果表明，熱設計措施有效，該大功率發射分機可以滿足高溫環境的使用要求。

參考文獻

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[3]余建祖.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

作者單位

四川九洲電器集團有限責任公司工程技術部 四川省綿陽市 621000