某電子設備的熱設計及優化

黃開明

（中國電子科技集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

在無線通信領域，電子設備正朝著小型化、模塊化以及輕量化方向發展。在設備體積變小、熱流密度變大的情況下，如何對設備進行合理的熱設計尤為重要。某電子設備整機熱耗54 W、環境溫度為55 ℃的條件下，通過自然散熱不能滿足散熱要求。設備需選擇安裝風扇或合理的風道設計，通過強迫風冷將熱量散到環境中。通過熱仿真，對結構散熱方案和風道結構進行優化[1]。

1 設備的熱設計

某項目電子設備的應用環境為機載，要求設備輕型化和小型化。在此前提下，合理的熱設計和結構設計尤為重要。此電子設備的設計原則是合理布局模塊分層，在滿足熱設計指標的前提下優化風道與散熱器尺寸，并對設備進行減重處理[2]。

1.1 設備組成

設備主要由電源模塊、終端模塊以及接口模塊等組成?？紤]設備內各模塊的互聯關系，設備總體布局采用分層式結構，如圖1所示。設備分為3層，上層為接口模塊，中間為終端模塊，下層為電源模塊，風機安裝在設備后端。

圖1 設備結構布局

1.2 散熱方案

設備內主要熱源為電源模塊的兩個熱敏器件（環境溫度55 ℃，要求殼溫小于85 ℃），熱耗分別為12 W、8 W。終端模塊的6個熱敏器件熱耗分別為3 W、4 W、3 W、5 W、2 W以及5 W，接口模塊的3個熱敏器件熱耗分別為5 W、5 W以及2 W，整個設備的熱耗為54 W。針對此設備的使用環境，散熱方式一般為自然散熱或強迫風冷。由于設備熱耗大，自然散熱無法滿足散熱需求，因此選用強迫風冷，其具有設備簡單、工作可靠、維護簡便以及費用低等優點[3]。

繼承以往的安裝形式，電源模塊的熱敏器件貼殼底散熱。其余模塊的熱敏器件通過導熱塊將熱量傳導至散熱器，通過風道內的風將熱量帶入大氣環境。根據熱平衡方程，初步確定風機風量。散熱器選擇合適的尺寸參數，在實現散熱的同時兼顧輕量化設計。通過仿真，檢驗熱設計的結果，并根據仿真結果調整設計參數，降低風道的風阻，使所有元器件均在低于額定溫度的情況下工作。

1.2.1 風機選型

設備散熱所需的風量應等于各發熱器件散熱所需風量之和，根據熱平衡方程得出整機的通風量為：

式中，Φ為系統總熱耗功率，本例中為54 W；Cp為空氣的比熱容，常壓下為1 005 J/（kg·℃）；ρ為空氣密度，常壓下為1.06 kg/m3；Δt為系統出風口和進風口的溫度差，通常取10 ℃[4]。計算得出通風量為18 m3/h，由于系統中存在風阻，風機不可能工作在最大風量處，因此參考選型手冊中風機工作曲線中的最佳工作風量選擇1個ebm PAPST 3414NHH風機[5]。

1.2.2 散熱器設計

根據設備結構形式，選擇簡單實用的片式散熱器，基板尺寸為187.5 mm×142 mm×2 mm，散熱肋片厚度2 mm、高度6 mm、長度162 mm。查詢相關文獻可知，采用強迫風冷時，滿足系統溫升在30 ℃以下，熱流密度應小于0.08 W/cm2。設備總熱耗54 W，設計散熱器散熱面積應大于675 cm2。設肋片數量為n，則散熱表面積為187.5×142+2×6×162×n＞67 500，得出n大于21.02。考慮加工的工藝性，選取肋間距為6 mm，此時散熱器效率最高[6,7]。

2 熱仿真

利用電子設備熱仿真軟件6sigma簡化不必要的非熱敏器件，只建立熱敏器件、散熱器以及風機等模型，簡化仿真模型，節省計算資源。對各熱敏器件附加熱耗、材料等信息，設置大氣環境參數，合理的細化計算網格[8]。通過熱仿真，得到圖2和圖3所示的溫度場和流場分布圖。

圖2 Y向截面溫度分布云圖

圖3 X向空氣流速云圖

從圖2可知，電源模塊熱敏器件最高殼溫88.4 ℃，有停機風險；其余熱敏器件殼溫不超過80 ℃，滿足正常使用要求；電源模塊熱敏器件貼殼底散熱效果不理想，需優化散熱路徑。

從圖3散熱器X向空氣流速云圖可以看出，各層間的空氣流速不均勻，會使通風散熱的效率降低。究其原因，風扇安裝后距設備后端空間太小，風道進氣口和出氣口間壓強太大，空氣流通阻力大。因此，風扇不能距設備后端太近，需調整安裝尺寸，增加風道空間[9]。

針對以上結論提出優化思路，將電源模塊的熱敏器件通過蓋板散熱，蓋板設計散熱齒，通過風道內的流動空氣將電源模塊的熱量散出去[10]。風扇安裝后距設備后端尺寸分別改為35 mm、40 mm、45 mm以及50 mm，對上述4種工況進行熱仿真，對比仿真結果如表1所示。

表1 各種工況下的仿真結果對比

對比流場結果如圖4所示。

圖4 流場云圖對比

對上述電源模塊優化后的散熱方案進行仿真，仿真結果如圖5所示。

圖5 優化后的Y向截面溫度分布云圖

當電源模塊內熱敏器件改為貼蓋板散熱后，熱敏器件殼溫為80.7 ℃，符合使用要求。將風扇安裝位置遠離設備本體后，風量增加、風阻減小，風道內流量更加均勻。仿真結果表明，風扇距設備本體40 mm為最優尺寸。

3 結 論

本文通過理論計算選取散熱器參數與風扇參數，然后進行熱仿真，根據仿真結果優化散熱方案。通過對優化前后仿真結果的對比可知，針對此電子設備所選的風扇安裝在設備后端40 mm處風阻最小，風道內流量更加均勻。電源模塊在滿足結構強度要求的前提下，改變傳統的安裝形式，改為貼散熱器散熱，熱敏器件殼溫降低了7.7 ℃，符合預期。