環境對模塊內部相對溫度分布的影響研究

環境對模塊內部相對溫度分布的影響研究

劉冠宏

（中國電子科技集團公司第二十研究所西安710068）

工程上有時候模塊內部的溫度不易監測，如果知道模塊內部及外殼一些主要點的溫度差，可以利用它通過模塊的表面溫度估算其內部溫度。設備的實際工作環境復雜多變，論文對能否用某一環境條件下的相對溫度分布情況推斷其他環境條件下的相對溫度分布做了研究。文章以某電子設備功放模塊為例，使用專業熱仿真軟件Flotherm分析了不同的環境因素對模塊內部各個監測點間溫度差的影響情況，并且通過實測進行了驗證。

電子設備；溫度分布；Flotherm

Class NumberTN919

1 引言

電子技術正在飛速發展，越來越大設備的功率密度分布，使散熱不良導致的熱失效成為了電子設備失效的主要形式［1］。據有效統計，超過55%的電子設備失效是因為散熱有問題引起的［2～3］。因而，與電子設備過熱問題相關的熱分析、熱設計和熱測試技術得到了迅速發展［4］。電子設備在實際工作中可能處于環境條件惡劣并且設備內部溫度不宜測量的情況，這時對電子設備內部溫度預估就顯得十分必要。如果得知模塊內部各主要點間的溫度差，就可以通過殼溫估算該狀態下模塊內部溫度［5］。那么當環境溫度變化時，能否有個通用的溫度差可以供我們進行溫度估計也顯得十分必要。本文針對這一問題，主要研究了不同環境條件下，模塊內部各點間的溫度差的變化情況。

實際研究中，傳統的熱力學計算很難解決復雜邊界條件的傳熱結構的設計問題［6］，而通過使用CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件對產品的熱性能進行預估，可以極大地提高效率，降低成本［7］。Flotherm是英國Flomerics公司開發的一款強大的三維CFD電子系統散熱仿真軟件［8～9］，已廣泛使用在熱設計相關問題中。本文以某電子設備功放模塊為例，在設備內部取了一系列監測點，并且使用Flotherm軟件分析了不同環境下模塊內部個監測點間溫度差的變化情況。

2 理論分析

本文以一個強迫風冷環境下的肋片為例進行分析。肋片尺寸為2mm×10mm×30mm，左端t0，環境溫度為tf，若其右端溫度為t1，則溫度差Δt=t0-t1。該結構散熱主要是肋片的熱傳導和空氣的強迫對流散熱。圖1為其散熱示意圖［10］。

根據傅立葉方程和牛頓方程，可以得到其數學表達式：

其中記Q為溫度變化因子，它是一個和空氣的換熱系數相關的量。同時從上式可以得出，當散熱量發生變化時，溫度差隨之成比例變化，而散熱量是和設備功率成正相關的量，所以設備內溫升受設備功率影響很大。

如果認為空氣的流速不變，換熱系數是和空氣的粘滯系數相關的。當設備工作環境在工程適用范圍內變化時，粘滯系數的取值為1×10-5～2×10-5m2/s。篇幅所限，直接畫出溫度變化因子Q隨v變化的曲線圖，如圖2所示。

可以看出其變化比較小，在0.0067～0.0060間變化。所以在工程適用環境條件下，設備內的溫度變化量受環境溫度以及氣壓影響不大。

3 仿真模型

本文選用某設備功放模塊作為研究對象，雙邊工作狀態，強迫風冷。盒體材料設定為Al-6061，其模塊背部有兩個微波功率器件，如圖3（a）所示，熱耗設為2×15W，其模塊正面有四個微波發射組件，如圖3（b）所示，熱耗設為4×50W。

如圖1（b）所示，在模塊正面設置11個溫度測點，以從上往下數第二個功率管為零點，各測點從右往左距零點位置為30，50，70，90，110，135，160，190，220，250mm。其中，第十一個點在設備外殼上。下面就可以仿真模塊在不同環境條件下工作時模塊內部的溫度分布情況。

4 仿真分析

4.1 環境溫度的影響

當環境溫度為20℃～80℃時，仿真上圖各測點溫度如表1所示。

表1 不同溫度下功放模塊內部溫度分布

為了直觀地反映各測點間的溫度變化情況。對上表所示的數據，相鄰點作差值，得到溫度差的變化曲線（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如圖4所示。

圖中Xi大于等于110mm時，溫度梯度有個拐點。原因從仿真模型圖1可以看到，點0～點4在背腔是受風機正吹的，點5～點10位于隔腔要通過傳導散熱。由于濾波器有一定熱耗，所以會出現溫度梯度拐點。

可以得到不同環境溫度下模塊內部溫度變化情況幾乎相同。

4.2 海拔高度的影響

當海拔高度為海平面、10000ft（3048m）、20000ft、30000ft、40000ft時仿真其溫度，如表2所示。從上表可以看出，隨著海拔高度升高，風機工作點下移，體積流量增大，效率提高［11］，但質量流量減小，冷卻效率下降，功率管殼溫明顯上升。

對表2所示的數據，相鄰點作差值，得到溫度差的變化曲線（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如圖5所示。

從圖中可以看到點0～點4之間溫度差變化較為明顯，且海拔越高，溫度差變化相對越大，但總的絕對值比較小。對于本算例，最大相差約為0.8℃。可以得到不同海拔高度下模塊內部溫度變化情況略有差異，但是差異較小。

4.3 熱源熱耗的影響

濾波器功耗仍為2×15W，功率管功耗分別設為4×50W、4×40W、4×30W、4×20W、4×10W，仿真其溫度如表3所示。

對表3所示的數據，相鄰點作差值，得到溫度差的變化曲線（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如圖6所示。

從圖6中可以看出，熱耗越大，內部各點溫度差的變化越明顯。對于本算例，模塊熱耗從4×50W變成4×10W，最大估算誤差約為12℃。可以得到不同熱耗下模塊內部溫度變化情況差異很大。

表3 不同功耗下模塊內部的溫度分布

4.4 小結

通過上述仿真結果可以看出，在工程適用的環境條件下，環境溫度和氣壓對設備內部各點的溫度差值影響較小。而熱源功耗則對其影響很大。

5 測試驗證

為了驗證結論的通用性。本文選用另一電子設備功放模塊對以上的仿真結論進行了測試驗證。在設備內部及外殼總共取了5個點，控制溫箱溫度分別為40℃，50℃，60℃，并且通過控制設備的收發信息速率來控制功率。本文用安捷倫熱電偶溫度測試系統對不同溫度條件和功耗條件下的設備內部溫度進行了測試［12］。由于氣壓變化條件下較難測試溫度，本文不做驗證。實測溫度如表4所示。

按順序取溫度差，可以得到溫度差的變化曲線，如圖7。

通過對比40℃［大功率］曲線和50℃［大功率］曲線以及50℃［小功率］曲線和60℃［小功率］曲線，可以看出環境溫度對設備內部各點間溫差的影響較小；而通過對比50℃［大功率］曲線和50℃［小功率］曲線，可以得到熱源的功耗對其影響較大。這與仿真結果相吻合。

表4 某功放模塊內各點溫度數據

6 結語

本文通過Flotherm，對不同環境條件下設備內部各點溫度的相對關系進行了仿真研究，并且通過實際測試進行了驗證。在工程適用的環境條件下，當外部環境中的溫度和氣壓變化時，設備內部各點間的溫度差變化很小。當熱源功耗變化時，設備內部各點間的溫度差會有較大變化，溫度差會變大。通過以上研究，當外部環境條件變化時，可以通過殼溫和已知某一環境條件下設備內部的溫度差，更好地對設備內部的溫度進行預測。

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Influence of Environment on Distribution of Relative Temperature Inside Module

LIU Guanhong
（No.20 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Xi'an710068）

Sometimes the temperature inside the module is not easy to monitor，if the temperature difference of the module's and the shell's some main point is known，the module's surface temperature can be used to estimate its internal temperature.The ac?tual working environment of the equipment is complicated and changeable.In this paper，a study is made which the relative tempera?ture distribution under other environmental conditions can be inferred from the relative temperature distribution under certain envi?ronmental conditions.This paper takes an electronic device power amplifier module as an example to analyze the influence of differ?ent environmental factors on the temperature difference between the various monitoring points in the module，and uses the profes?sional thermal simulation software Flotherm to analyze the influence of the temperature difference between the monitoring points，and it is verified by the test.

electronic equipment，temperature distribution，Flotherm

TN919

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.030

2017年2月9日，

2017年3月25日

劉冠宏，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：機械電子工程。