通信設(shè)備中機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)

邱建源

摘 要：本文以某種通信設(shè)備電源模塊及變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)電路性能參數(shù)配置、PCB板極布局、熱設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)的論述，利用ANSYS有限元分析（FEA）軟件，對(duì)變壓器繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)熱分布進(jìn)行仿真分析。

關(guān)鍵詞： 通信設(shè)備；電源模塊；變壓器；熱設(shè)計(jì)；可靠性

1.前言

隨著通信技術(shù)不斷的更新?lián)Q代，通訊網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越普及便捷。計(jì)算機(jī)控制、元器件尤其是光元器件、硅集成電路的廣泛應(yīng)用，通信設(shè)備逐步形成全光網(wǎng)絡(luò)化、高速、超容量模式。組成通信設(shè)備的電路設(shè)計(jì)上也趨于多層板、高度集成、貼裝電子元件結(jié)構(gòu)。通信芯片及功率元器件運(yùn)行過(guò)程，熱量集聚上升迅速，熱密度增加，通信設(shè)備溫度增加，對(duì)于設(shè)備安全運(yùn)行造成諸多影響。由于國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立起通信設(shè)備熱控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)備電子電路論證過(guò)程必須分析溫升影響過(guò)，并在整個(gè)設(shè)備通信電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，形成完整的溫升測(cè)試結(jié)論，進(jìn)一步完善溫度管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在熱設(shè)計(jì)過(guò)程，主要采用散熱器技術(shù)，日本等國(guó)家已經(jīng)研制出蒸汽與冷卻風(fēng)扇高度集成的散熱裝置，這種技術(shù)具備通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢(shì)，有效解決了芯片、功率器件散熱的問(wèn)題[1]。

2.通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.2電源板級(jí)整體布局

在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮散熱和電磁兼容問(wèn)題，尤其是PCB板極的熱設(shè)計(jì)，要求具備較高的穩(wěn)定性和可靠性能。一般通信設(shè)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(shè)計(jì)布局時(shí)，采取分層設(shè)計(jì)。通常PCB板為四層設(shè)計(jì)，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(hào)處理層，第三層是接地層。同時(shí)需要增加銅厚，可以很好的提升系統(tǒng)電源熱性能，降低內(nèi)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(fā)熱元器件置于第一層，并在機(jī)箱內(nèi)增加散熱片或散熱器，采用強(qiáng)迫散熱放射進(jìn)行熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)；把系統(tǒng)控制芯片、采集電路、電流檢測(cè)、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(wěn)定性。而且應(yīng)在控制芯片、電流檢測(cè)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(shè)計(jì)

由于通信設(shè)備采用較多開關(guān)型電源，通過(guò)電源拓?fù)浞治觯_關(guān)電源變壓器繞組中存在最大交流電壓節(jié)點(diǎn)，即功率開關(guān)管集電極。集電極電壓較高，發(fā)熱快，散熱性不好，尤其是交流電壓發(fā)射EMI信號(hào)時(shí)，由于系統(tǒng)電容耦合作用，會(huì)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(fā)熱。基于此，在布線工藝設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)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(shè)備的電源熱設(shè)計(jì)

隨著通信電源模塊化、微型化、高度集成化發(fā)展趨勢(shì)的確立，電源尤其是核心部件-變壓器性能要求越來(lái)越關(guān)鍵。在電路設(shè)計(jì)時(shí)既要充分提高系統(tǒng)工作性能，又要重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱穩(wěn)定性。兩者有機(jī)結(jié)合，才能整體提升設(shè)備工作的可靠性。在熱分析理論中，通信設(shè)備熱結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)方式主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種方式[2]。

（1）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)可以利用傅里葉變換進(jìn)行表述，其數(shù)學(xué)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(dǎo)方向橫截面積，單位是m2；

表示溫度變化率（溫度在時(shí)間軸X的方向變化情況），負(fù)號(hào)表示熱傳導(dǎo)由高溫體向低溫體傳導(dǎo)；

λ表示熱傳遞系數(shù)，對(duì)材料導(dǎo)熱性能進(jìn)行表征，單位是W/（m·k）。

（2）熱輻射

由于電磁波向外發(fā)射能量粒子形成的熱量稱為熱輻射，通信設(shè)備工作時(shí)，由于電磁輻射的外輻射和吸收輻射的疊加重合，產(chǎn)生熱能。工程材料力學(xué)中，運(yùn)用數(shù)學(xué)公式（斯蒂芬-波爾茲曼定律）計(jì)算表述為：

（2-2）

上式中：

E表示某物質(zhì)的實(shí)際輻射力，單位為單位W/m2；

ε表示熱發(fā)射率，ε=E/Eb（同溫度下，實(shí)際物質(zhì)輻射力與黑體輻射力之比）；

Eb表示理想狀態(tài)下物質(zhì)最大輻射的能力（稱之為絕對(duì)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(dòng)的液體（水）或氣體（空氣）。主要通過(guò)與相接觸設(shè)備表面間通過(guò)冷卻或空氣對(duì)流進(jìn)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(qiáng)迫熱交換。強(qiáng)迫交換主要采用冷卻風(fēng)扇、熱交換器、水泵等外載設(shè)備，迫使設(shè)備間的熱量轉(zhuǎn)移。熱交換數(shù)學(xué)表達(dá)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(shù)，對(duì)流體表面熱性能進(jìn)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(shè)備電源變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，并對(duì)變壓器各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，以滿足系統(tǒng)功能要求和結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)要求。在變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)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(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并利用計(jì)算機(jī)輔助熱設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真、測(cè)試、分析、優(yōu)化，最后形成輸出文件，得到溫度分布驗(yàn)證圖如圖2所示的通信設(shè)備電源系統(tǒng)變壓器機(jī)械熱設(shè)計(jì)流程。

3 熱交換仿真設(shè)計(jì)

通信設(shè)備電源系統(tǒng)變壓器為扁平繞組結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)匝比為初次級(jí)匝比4：2。在整體參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，需要利用計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行性能測(cè)試、分析和優(yōu)化改進(jìn)。采用ANSYS有限元分析（FEA）軟件可以實(shí)現(xiàn)流體、結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、聲場(chǎng)等仿真測(cè)試和分析。利用軟件包含的Maxwell 2D/3D、HFSS電磁仿真軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻下超級(jí)功能的電磁仿真測(cè)試和分析求解。本文首先用Maxwell 2D/3D建立通信設(shè)備電源變壓器數(shù)學(xué)模型，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析求解，獲得變壓器設(shè)計(jì)的寄生參數(shù)。利用寄生參數(shù)值在進(jìn)行變壓器繞組結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理。本文利用ANSYS軟件研究不同繞組結(jié)構(gòu)對(duì)通信設(shè)備電源變壓器漏感、銅耗等影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)出最優(yōu)壓器繞組結(jié)構(gòu)[3]。

利用計(jì)算機(jī)輔助熱設(shè)計(jì)建立的變壓器仿真結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，仿真表明變壓器次級(jí)并聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)的損耗雖然比單層厚繞組結(jié)構(gòu)偏高，但是次級(jí)并聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，繞組厚度加工工藝便于控制，因此實(shí)際應(yīng)用中多采用這種結(jié)構(gòu)形式。

在仿真熱設(shè)計(jì)中，首先要在軟件系統(tǒng)文件Steady-State Thermal中設(shè)置電源變壓器基本設(shè)計(jì)參數(shù)和根據(jù)熱傳遞理論計(jì)算的材料熱導(dǎo)率。并在鐵氧體磁心內(nèi)部設(shè)置熱源，對(duì)變壓器磁心損耗進(jìn)行模擬溫升造成的影響，功耗數(shù)值參考設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)獲得；繞組損耗通過(guò)仿真進(jìn)行獲得。邊界條件設(shè)定：通信設(shè)備環(huán)境溫度25，交換空氣自然對(duì)流狀態(tài)，換熱系數(shù)設(shè)定為10 W/m2。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖4中分析表明，通信設(shè)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(jié)論

通信設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要滿足系統(tǒng)性能要求，又要充分考慮熱穩(wěn)定的整體要求。尤其是設(shè)備的工作穩(wěn)定性和可靠性。在通信設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分掌握設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按照功能要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)功能及元器件熱特性進(jìn)行系統(tǒng)布局，采用電路板分層設(shè)計(jì)的思想，并適當(dāng)增加散熱系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)熱交換的能力，從而確保設(shè)備工作的可靠性和穩(wěn)定性。降低能量損耗，提升設(shè)備運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)

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