便攜式密閉終端設備的散熱設計及仿真分析

彭偉，王虎軍，陸景松，王志海

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥，230088）

便攜式密閉終端設備的散熱設計及仿真分析

彭偉，王虎軍，陸景松，王志海

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥，230088）

為了有效解決便攜式終端設備在密閉結構形態下的散熱問題，通過針對T/R組件芯片底部預埋鉬銅載體、FPGA和DSP局部熱點生長導熱凸臺等一系列方法打通了設備散熱路徑，優化了設備內部環境熱場，并借助工程熱仿真平臺分析驗證了設備散熱設計的有效性，為今后類同便攜式密閉設備的熱設計提供了參考。

便攜式；密閉設備； 芯片溫度；局部熱點

0 引言

終端設備一般是由多種不同的接口控制和輸入輸出的電子器件組合而成，這些電子器件的可靠性直接關系到整個設備的性能，而熱性能又是其中一項重要的可靠性指標[1-2]。當前隨著系統集成度和器件熱損耗的逐步提高，單位空間熱流密度的不斷增大，加之各項環境適應性要求進一步強化，從而加速惡化了設備的熱性能狀態，同時也給熱設計帶來了更大的難度[3-5]。文中所研究的便攜式密閉終端設備即是此類問題的一個典范，此設備要求實現輕量型的一體化設計，且整體結構密閉，具備防潮濕、風沙、鹽霧等一系列高環境適應性，如此導致內部有效單位面積的熱流密度顯著升高[6]。由于上述因素的制約，根本不可能考慮以往工程上常用的風冷和液冷設計思路，惟有依賴單純熱傳導以及局部熱點擴展等方式進行設計，本文通過該設備的散熱設計及計算分析，給出了詳實的熱設計要素和仿真驗證，為結構設計提供了可靠真切的技術支撐，進而保障設備穩定運行，同時也為今后類同設備的散熱問題提供了有效參考。

1 基本描述

終端設備主要由信號處理集成單元、T/R組件、接收機模塊、低壓電源模塊等功能部件及其相關結構組成，如圖1所示。信號處理集成單元上的主要發熱器件為FPGA和DSP，其中FPGA的熱耗為6.8瓦，DSP的熱耗為5.3瓦；T/R組件的熱耗為0.5瓦/件，共6件；接收機模塊中的發熱單元為差波束形成網絡、頻率合成器、上變頻通道和模擬接收機等，其中差波束形成網絡的熱耗為5.1瓦，頻率合成器為4.7瓦，上變頻通道為6.2瓦，模擬接收機為5.5瓦；低壓電源模塊熱耗為近10瓦。上述器件中局部熱點主要集中在FPGA、DSP及T/R組件上，因此散熱設計應重點關注。

圖1 終端設備組成示意圖

2 熱設計

源于上述總體要求此設備整體結構處于防護密閉態，且能便攜式運輸，因此設備的結構設計應盡量縮減結構件的體積和厚度，同時采用質地輕巧的合金制作，而且針對于各接口界面添加一系列的密封橡膠和油漆，于此這些工作是利于“密閉，便攜”特性的，但恰巧又與設備的散熱設計思路是相悖的，降低了設備的散熱熱沉，阻礙了各器件的散熱通道（路徑）。本文終端設備的散熱設計在兼顧以上結構設計的同時，綜合優化設備內部散熱路徑，使得器件熱量能夠高效率地傳遞到設備外環境空間，從而滿足各類器件的耐受溫度。具體如：信號處理集成單元上的FPGA和DSP熱點集中且頂面較為平整，熱量通過導熱襯墊傳遞到設備外殼導熱凸臺，再從凸臺散發到外殼對外生長的散熱翅片上；T/ R組件內部的芯片熱量直接通過鉬銅載體貼到組件殼體底部，再通過殼體將熱量傳遞給前面板的對外散熱區域；接收機模塊上的差波束形成網絡、頻率合成器、上變頻通道和模擬接收機均依賴兩側壁梁傳遞熱量給設備殼體，同樣需要添加導熱襯墊和導熱硅脂；低壓電源模塊熱量較小，自身熱沉足以匹配耐受溫度。（增加了熱沉，打通路徑）

3 熱仿真分析

為了探究此終端設備工作時的熱傳遞狀態,利用工程熱分析軟件FLOTHERM對終端設備建立數值模型,根據真實的環境條件（如表1）設置計算工況，在保證仿真結果不失真的前提下，優化結構實現建模。如圖2所示，數值模型忽略了一些孔、倒角、插件、線纜等特征；暫不考慮外界輻射干擾如太陽輻射、電磁輻射等熱影響；鑒于此設備與其他設備的結構連接關系，其周圍熱性能互無影響，因此仿真分析中忽略其他器件對該設備器件的影響；其他器件如對本次熱仿真分析不起直接熱性能干涉，建模時忽略其結構；分析中按各元器件單獨施加熱耗，其余熱耗均勻施加到安裝基板上，模塊厚度不一略有差別時，建模可統一為較薄的厚度。

表1 外部環境條件

圖2 終端設備數值模型圖

3.1 計算結果Ⅰ

圖3和圖4分別為信號處理集成單元在熱設計前后的溫度云圖，從圖對比可看出，信號處理集成單元上的FPGA和DSP溫度都有了明顯的下降，且均在耐受溫度之內（80度，85度），其中FPGA殼體溫度從110度下降到了82度，DSP殼體溫度從108度下降到了78度，說明了此項散熱設計的有效性。

圖3 初始溫度云圖

圖4 熱設計溫度云圖

3.2 計算結果Ⅱ

T/R組件上的芯片由于結構尺寸相對較小，因此模型計算需要重點對此加密網格，其熱設計前后的溫度云圖如圖5和圖6。圖中可以明顯地看到，設計后的芯片局部熱擴展性非常好，顯著拉低芯片的中心溫度，這說明此項散熱設計中在芯片底部加載的鉬銅載體起了很好的均熱作用，再加上組件殼體與前面板散熱區域的互聯，使得T/R組件的熱量迅速擴散到了設備外環境。

圖5 初始溫度云圖

圖6 熱設計溫度云圖

3.3 計算結果Ⅲ

此部分主要是分析接收機模塊和低壓電源模塊的熱計算結果。接收機模塊中的差波束形成網絡、頻率合成器、上變頻通道和模擬接收機由于安裝方式較分散，散熱通道不太好完善，只能借助于設備殼體生長出的壁梁桁架為散熱路徑，其中為了輕量化設計已最大化地減少桁架熱沉，加上各接觸界面的熱阻，因此散熱效果不太明顯。但是好在這些器件內部耐熱能力較強，最終還能夠滿足散熱可靠性，具體見圖7和圖8。此低壓電源模塊自身效率較高，產生的熱量小，可以利用電源殼體熱沉以及對外輻射消化，圖9為其仿真溫度云圖。

圖7 終端設備數值模型圖

圖8 終端設備數值模型圖

圖9 終端設備數值模型圖

4 結論

本文針對某型便攜式密閉終端設備進行了散熱設計及驗證分析，從工程化的角度詳細剖析了設備的散熱通道，在原初始結構形態上采取了有效熱措施，使信息處理集成單元上的FPGA殼體溫度從110度下降到82度，DSP殼體溫度從108度下降到78度；通過鉬銅載體延展芯片法蘭局部熱均勻性，顯著拉低其中心溫度；接收機模塊和低壓電源模塊充分借助桁架熱沉實現輕量化設計，滿足設備散熱性能，為整體設備結構設計提供了可靠性的技術支撐。

[1] 李波，李科群，俞丹海.FloTHERM軟件在電子設備熱設計中的應用[J].電子機械工程.2008（8）:11-13.

[2] 王萌，徐曉婷.高密度密封電子設備熱設計與結構優化[J].電子工藝技術.2006（6）:339-343.

[3] ZHANG L M.Thermal design of the telemetry transmitter on Flotherm[J].Equipment Manufacturing Technology.2014（1）:106-109.

[4] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京：東南大學出版社.2005.

[5] 丁成斌，王克成，張文革等.基于Flotherm的一種電源設備熱仿真分析[J].機電元件.2011.31（4）:28-31.

[6] 李增辰，褚俐.某密閉電子設備的熱設計[J].電子機械工程.2009.25（4）:7-9.

Thermal Design and Simulation Analysis for a Portable Sealed Terminal Equipment

Peng Wei,Wang Hujun,Lu Jingsong,Wang Zhihai
（No.38 Research Institute of CETC,Hefei Anhui,230088）

In order to solve the heat dissipation problem of portable terminal equipment in a confined structure, through to the bottom of the chip embedded T/R components FPGA and DSP molybdenum copper carrier, local hot growth heat boss and a series of methods to open up the equipment cooling path, optimize the internal environment of equipment thermal field, and with the analysis of engineering thermal simulation platform is proved to be effective the design of cooling equipment, which provides a reference for the thermal design of the future similar portable airtight equipment.

portable; closed equipment; chip temperature;local hot spots