通信設備中機械零件的可靠性設計

邱建源

摘 要：本文以某種通信設備電源模塊及變壓器結構設計為例，對電路性能參數配置、PCB板極布局、熱設計、布線設計等進行了詳細的論述，利用ANSYS有限元分析（FEA）軟件，對變壓器繞組結構進行建模，并對變壓器結構熱分布進行仿真分析。

關鍵詞： 通信設備；電源模塊；變壓器；熱設計；可靠性

1.前言

隨著通信技術不斷的更新換代，通訊網絡越來越普及便捷。計算機控制、元器件尤其是光元器件、硅集成電路的廣泛應用，通信設備逐步形成全光網絡化、高速、超容量模式。組成通信設備的電路設計上也趨于多層板、高度集成、貼裝電子元件結構。通信芯片及功率元器件運行過程，熱量集聚上升迅速，熱密度增加，通信設備溫度增加，對于設備安全運行造成諸多影響。由于國內外已經建立起通信設備熱控制、機械結構設計的規范和標準，在設備電子電路論證過程必須分析溫升影響過，并在整個設備通信電路設計過程中，形成完整的溫升測試結論，進一步完善溫度管理的優化設計。在熱設計過程，主要采用散熱器技術，日本等國家已經研制出蒸汽與冷卻風扇高度集成的散熱裝置，這種技術具備通用化、系列化、標準化的發展趨勢，有效解決了芯片、功率器件散熱的問題[1]。

2.通信設備結構設計關鍵技術

2.2電源板級整體布局

在設備結構設計中，應充分考慮散熱和電磁兼容問題，尤其是PCB板極的熱設計，要求具備較高的穩定性和可靠性能。一般通信設備電源部分存在功率電路、變壓器電路以及芯片控制電路，設計布局時，采取分層設計。通常PCB板為四層設計，最頂層和最底層布局功率電路，便于散熱；第二層一般為信號處理層，第三層是接地層。同時需要增加銅厚，可以很好的提升系統電源熱性能，降低內阻抗。

整體布局中，通信電路中電感器、變壓器、硅功率管、電容器等易發熱元器件置于第一層，并在機箱內增加散熱片或散熱器，采用強迫散熱放射進行熱穩定性設計；把系統控制芯片、采集電路、電流檢測、光耦合等受溫度影響較大的電路置于第二層，減少熱影響，提高電路穩定性。而且應在控制芯片、電流檢測店里周圍，布置去耦電容，可以有效減少白噪聲。

2.2 布線工藝設計

由于通信設備采用較多開關型電源，通過電源拓撲分析，開關電源變壓器繞組中存在最大交流電壓節點，即功率開關管集電極。集電極電壓較高，發熱快，散熱性不好，尤其是交流電壓發射EMI信號時，由于系統電容耦合作用，會使不同PCB板上的引線收到這種耦合影響，存在較大的雜散電流，引起電路板發熱。基于此，在布線工藝設計時，多普遍采用電路表面貼裝元器件，并且在PCB第一層和接地層進行孔連接，能夠很好的改善線路熱性能，有效增加散熱體積以及表面積，極大的減小了引線間電容耦合影響。

2.3 通信設備的電源熱設計

隨著通信電源模塊化、微型化、高度集成化發展趨勢的確立，電源尤其是核心部件-變壓器性能要求越來越關鍵。在電路設計時既要充分提高系統工作性能，又要重點考慮結構設計的熱穩定性。兩者有機結合，才能整體提升設備工作的可靠性。在熱分析理論中，通信設備熱結構的傳導方式主要有熱傳導、熱對流及熱輻射三種方式[2]。

（1）熱傳導

熱傳導可以利用傅里葉變換進行表述，其數學公式為：

（2-1）

式（2-1）中，

Φ表示熱流量，單位是w；

A表示熱傳導方向橫截面積，單位是m2；

表示溫度變化率（溫度在時間軸X的方向變化情況），負號表示熱傳導由高溫體向低溫體傳導；

λ表示熱傳遞系數，對材料導熱性能進行表征，單位是W/（m·k）。

（2）熱輻射

由于電磁波向外發射能量粒子形成的熱量稱為熱輻射，通信設備工作時，由于電磁輻射的外輻射和吸收輻射的疊加重合，產生熱能。工程材料力學中，運用數學公式（斯蒂芬-波爾茲曼定律）計算表述為：

（2-2）

上式中：

E表示某物質的實際輻射力，單位為單位W/m2；

ε表示熱發射率，ε=E/Eb（同溫度下，實際物質輻射力與黑體輻射力之比）；

Eb表示理想狀態下物質最大輻射的能力（稱之為絕對黑體），單位為單位W/m2。

（3）熱交換

熱交換也稱為熱流換熱。主要載體為流動的液體（水）或氣體（空氣）。主要通過與相接觸設備表面間通過冷卻或空氣對流進行熱量的交換，帶走多余熱量[2]。形式上包括自然熱交換和強迫熱交換。強迫交換主要采用冷卻風扇、熱交換器、水泵等外載設備，迫使設備間的熱量轉移。熱交換數學表達公式（牛頓冷卻公式）為：

（2-3）

公式（2-3）中，

Φ、A與公式（2-1）表示相同，單位相同。

α表示熱傳遞系數，對流體表面熱性能進行表征，單位是W/（m·k）；

△t表示流體與接觸器件表面的溫度差，單位是℃。

在通信設備電源變壓器設計時，應嚴格按照標準和規則進行參數數據的設計，并對變壓器各參數進行優化處理，以滿足系統功能要求和結構熱設計要求。在變壓器參數設計時，關鍵參數指標磁心損耗和繞組損耗是引起電路溫升的主要熱源。因此，其參數設計應嚴格按照計算公式進行計算，并利用計算機輔助熱設計軟件進行仿真、測試、分析、優化，最后形成輸出文件，得到溫度分布驗證圖如圖2所示的通信設備電源系統變壓器機械熱設計流程。

3 熱交換仿真設計

通信設備電源系統變壓器為扁平繞組結構，設計結構匝比為初次級匝比4：2。在整體參數設計完成后，需要利用計算機輔助機械結構熱設計軟件進行性能測試、分析和優化改進。采用ANSYS有限元分析（FEA）軟件可以實現流體、結構、電磁場、渦流場、聲場等仿真測試和分析。利用軟件包含的Maxwell 2D/3D、HFSS電磁仿真軟件，能夠實現低頻下超級功能的電磁仿真測試和分析求解。本文首先用Maxwell 2D/3D建立通信設備電源變壓器數學模型，對設計進行仿真分析求解，獲得變壓器設計的寄生參數。利用寄生參數值在進行變壓器繞組結構的優化處理。本文利用ANSYS軟件研究不同繞組結構對通信設備電源變壓器漏感、銅耗等影響，優化設計出最優壓器繞組結構[3]。

利用計算機輔助熱設計建立的變壓器仿真結構模型如圖2所示，仿真表明變壓器次級并聯繞組結構的損耗雖然比單層厚繞組結構偏高，但是次級并聯繞組結構工藝簡單，繞組厚度加工工藝便于控制，因此實際應用中多采用這種結構形式。

在仿真熱設計中，首先要在軟件系統文件Steady-State Thermal中設置電源變壓器基本設計參數和根據熱傳遞理論計算的材料熱導率。并在鐵氧體磁心內部設置熱源，對變壓器磁心損耗進行模擬溫升造成的影響，功耗數值參考設計標準獲得；繞組損耗通過仿真進行獲得。邊界條件設定：通信設備環境溫度25，交換空氣自然對流狀態，換熱系數設定為10 W/m2。仿真結果如圖3所示。

圖4中分析表明，通信設備電源變壓器熱分布最高溫度為80左右，為綜合考慮全部散熱交換布局。

3.結論

通信設備機械結構設計既要滿足系統性能要求，又要充分考慮熱穩定的整體要求。尤其是設備的工作穩定性和可靠性。在通信設備機械結構設計中，應充分掌握設計標準，按照功能要求進行參數設置，并根據功能及元器件熱特性進行系統布局，采用電路板分層設計的思想，并適當增加散熱系統增強系統熱交換的能力，從而確保設備工作的可靠性和穩定性。降低能量損耗，提升設備運行效率。

參考文獻

[1]孫洪拓，王長青，馮宇石，王君薇.控制設備的可靠性設計方法和實施途徑[J].光電技術應用.2006，2.21（1）：62-66.

[2]魏晨，謝運祥，宋靜嫻.淺談開關電源中的平面變壓器[J].通信電源技術，2006， 23（5）：55-57.

[3]徐曉婷，朱敏波，楊艷妮.電子設備熱仿真分析及軟件應用[J].電子工藝技術，2006， 27（5）：265-268.