某通信中繼設備散熱優化設計

廣州海格通信集團股份有限公司 吳趙兵

在通信系統中，基站、中繼、路由等設備是通信系統中的重要信息核心樞紐，該類設備的穩定性直接決定了整個通信系統能否穩定可靠地長期運行。目前通信技術的發展和系統建設，需要通信系統中的核心設備向高密度高集成方向發展，隨之而來的是設備的單位體積熱耗越來越大。對于電子設備而言，電子器件在環境溫度每升高10℃，其失效率增大一倍以上[1]，可見通信設備的熱設計對通信系統的穩定性至關重要。

在以往通信設備開發過程中，多數研發人員對于設備散熱設計往往采用的經驗對比和實測并反饋改進的方法去做產品的散熱優化，這種方式比較依賴于工程設計人員的經驗和判斷，開發周期長，成本較高。隨著近些年計算機仿真技術的發展，各種工程領域的仿真軟件也逐漸涌現，在熱仿真領域也有幾款好用的優秀軟件，借助于該類軟件，在產品開發時可通過模擬仿真來指導和改進熱設計，從而縮短開發周期，快速得到設備散熱措施的最優解，提高產品的設計質量和市場競爭力。

本文將某款通信中繼設備產品設計開發為例，以6SigmaET熱仿真軟件為工具，對產品散熱優化進行了具體研究和闡述。

1.研究對象及熱源分析

本研究涉及的對象為一款集群通信中繼設備（以下簡稱中轉臺），該設備的主要組成為顯控單元、控制單元、射頻處理單元、雙工器、功放單元，中轉臺模塊布局如圖1所示。其中，功放單元位于中轉臺后部，功放單元內的發熱核心部件為功放管，其位置如圖2所示。

圖1 中轉臺模塊布局效果圖

圖2 功放管位置示意圖

2.散熱需求分析

中轉臺的熱源來自功放單元的功放管，功放管直接安裝在散熱器上，要保證功放管長時間安全穩定運行，功放管的工作溫度有上限要求（由硬件確定，參考值：器件周圍散熱器溫度最高不超過87度），若溫度超出上限值，功放單元將啟動保護策略降額運行，以保設備安全。

根據設計需求，中轉臺的高度控制為1U，而行業內中轉臺的高度普遍為2U，另外根據硬件需求，功放單元滿負荷工作情況下，功放管的熱耗散為70W。根據對比分析，初始設計的散熱器散熱能力壓力較大，因自然風冷散熱換熱效果有限，而空氣強制對流冷卻的換熱量比自然對流和輻射的要大到10倍[2]，所以根據經驗該設備的散熱需要風扇介入強制風冷散熱。除了風扇介入外，還需在結構上做好最優散熱設計，所以需要仿真分析并優化設計方案能否滿足散熱需求。

理想狀況：在最高環境溫度（55℃）下，功放單元滿負荷常發工作，1U散熱器可以滿足散熱需求。

3.熱仿真環境搭建

根據中轉臺硬件布局和發熱源位置分析，可以簡化模型，在熱仿真時取散熱器、風扇、功放管、風扇整流蓋板為考慮對象。

仿真軟件選用6SigmaET，它是由英國Future Facilities公司開發的新一代熱分析軟件，具備系統、設備、板、器件等級別的散熱設計解決能力。6SigmaET具備快速建立模型功能、查錯功能、智能化網格生成功能、自動簡化模型功能。

完成仿真環境的建模，包括測試空間設置、熱源定義、材料屬性定義、風道設置等。完成建模后，設置求解器參數：環境溫度為20℃，湍流模型為標準k-e模型。

標準 k-e 模型是個半經驗公式，主要是基于湍流動能和擴散率，k方程是精確方程，e方程是由經驗公式導出的方程。標準 k-e是目前工程流場計算中主要的工具，適用范圍廣，比較經濟，有足夠的精度。

仿真模型各個零件的屬性及賦值見表1。

表1

根據散熱器尺寸及散熱尺寸要求，選擇小尺寸大風量高可靠性風扇，風扇品牌為臺灣建準，型號為PMD1238PKBX-A，風扇詳細參數見表2，風扇風壓—風量曲線見圖3。在實際中考慮到保留一定的設計余量，在熱仿真環境中設置風機轉速為12000RPM。

表2

圖3 PMD1238PKBX-A曲線圖

4.熱仿真對比分析

以初始散熱器模型為基礎，主要針對散熱尺齒數與表面積、風扇是否位于功放管正上方、散熱器材質（純銅或鋁合金）、是否有導熱襯板、是否加風扇整流蓋板、散熱器加高等方面進行熱仿真對比分析。

圖4 散熱尺類型截面圖

初始散熱器的散熱尺截面圖如圖4a所示，散熱尺高45mm，基板厚度為18mm，圖4b是在4a的基礎上由4尺改為7尺，并在散熱尺表面增加波紋以增加空氣接觸面積，圖4c是在4a的基礎上將尺高增加到70mm。

根據以上對比條件，進行系列熱仿真實驗，在對比實驗中實驗環境條件一致，取環境溫度為20℃，環境溫度變化不影響熱仿真實驗效果，只需在仿真結果上累加環境溫度差值即可。熱仿真實驗效果對比結果見表3。

表3

圖5 部分熱仿真散熱器表面溫度云圖

在表3中，需要關注的三個結果數值為換熱功率、芯片主表面溫度、芯片主體積溫度。在熱仿真系統中，達到熱平衡后，芯片主表面溫度和主體積溫度越低，芯片的壽命和穩定性越好，芯片允許承擔的工作負荷越大；芯片的換熱功率越大，留在散熱器上的發熱功率越小，散熱器表面溫度和平均溫度越低，即：芯片主表面溫度和主體積溫度越低，換熱功率越大，整體散熱效果越理想。

在仿真建模中，風扇整流板的作用是將吸入風機內的氣流盡可能長的在翅片溝槽內流動，增大與翅片表面的接觸面積，從表3的第2組和第3組仿真結果來看，這種有益作用被整流板阻礙風機周圍熱量散失的有害作用抵消，所以為了達到最佳散熱效果，取消風扇整流板。

部分仿真組熱平衡后散熱器表面溫度分布云圖如圖5所示。由圖5a和圖5b可以看出，在不增加散熱尺高度的情況下，將散熱尺齒數增加到7齒并增加散熱翅片表面微波紋特征，可改善散熱效果，但是這種改善不明顯。從表3和圖5c可以看出，在散熱器整體材質為紫銅（高導熱系數）的情況下，功放管引起的發熱溫度被快速傳開，功放管溫度降低明顯（下降約9℃），但散熱器表面溫度較高，相比鋁合金材質，紫銅與空氣的換熱較差。從表3、圖5b和圖5d可以看出，采取紫銅基板和鋁合金散熱尺的組合（銅鋁復合散熱），可以將功放管溫度較好的傳遞開，但散熱尺表面積一致，所以整體換熱功率基本一致。所以，綜合上述，采用銅鋁復合散熱并增加散熱尺高度（增加25mm），從表3的第8組數據和圖5e可以看出，熱平衡后功放管溫度較低，換熱功率較大，散熱器外表面溫升最大不超過20℃，結果較為理想。在后續實測試驗中，按類型3做的鋁合金散熱器在設備熱平衡穩定運行后，散熱器表面最高溫升為18.9℃，實測結果與仿真數據近似。

5.結論

1）在本散熱系統中，風扇整流板沒有起到預想的效果，可以去掉；

2）在散熱尺高度不變的情況下，增加散熱尺與空氣的接觸面積可以改善散熱效果；

3）相同情況下，鋁合金與空氣的換熱效果比紫銅與空氣的換熱效果好；

4）銅鋁復合散熱（紫銅基板和鋁合金散熱翅片）效果明顯好于其他仿真數據組；

5）70mm高4齒散熱器和紫銅基板導熱可以在功放單元滿功率常發的情況下，將散熱器表面溫升控制在20℃以下，功放管最高溫升控制在40℃以下，仿真結果滿足設計需求；

6）通過后期實測第八組數據的仿真結構與產品實測結果接近，說明準確到位的熱仿真分析對產品的設計開發有著積極的指導意義。

[1]電子工業部標準化研究所．可靠性工程師熱設計指南[S]．1985．30-37．

[2]莊奕琪．微電子器件應用可靠性技術[M]．電子工業出版社,1996．