基于插片散熱器的某功放單元設計

摘" 要： 設計一款可在室內(nèi)機房環(huán)境條件下工作，總熱耗約為2 700 W，結構緊湊、散熱方式簡單、散熱效果良好，可安裝在19寸機柜內(nèi)的功放單元。依據(jù)該功放單元工作原理、內(nèi)部器件布局、熱耗，綜合考慮散熱與結構要求，設計一種采用組合插片散熱器強迫風冷的方案。通過功放模塊和電源分組固定安裝在分層的3個插片散熱器上，同時與設備側壁形成完整的風道的方式，實現(xiàn)了功放單元的強迫風冷散熱；并對該設備進行了熱傳導與散熱理論計算，同時運用仿真軟件建立模型，進行數(shù)值分析。數(shù)值仿真結果顯示，該功放單元正常工作熱交換達到平衡狀態(tài)時，功放模塊外殼最高溫度為64.2 ℃，滿足設計要求。通過實物樣機驗證了該功放單元基于組合插片散熱器結構設計方案的可行性，以及計算、仿真方法的合理性、正確性。

關鍵詞： 功放； 插片散熱器； 強迫風冷； 風冷散熱； 理論計算； 熱設計

中圖分類號： TN312.8?34； TK124" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）10?0052?05

Design of power amplifier using fin heat sinks

Abstract： In order to design a power amplifier that can work under indoor computer room environmental conditions， with a total heat consumption of about 2 700 W， a compact structure， simple heat dissipation method， good heat dissipation effect， and can be installed in a 19 inch cabinet. Based on the working principle of the power amplifier unit， internal device layout， heat consumption， and comprehensive consideration of heat dissipation and structural requirements， a scheme using a combined plug?in heat sink for forced air cooling is designed. By fixing the amplifier module and power supply group on three layered plug?in heat sinks， and forming a complete air duct with the equipment sidewall， the forced air cooling heat dissipation of the amplifier unit is realized. Based on the working principle of the power amplifier unit， internal device layout， heat consumption， and comprehensive consideration of heat dissipation and structural requirements， a design scheme using a combined plug?in heat sink for forced air cooling is designed. The power amplifier module and power supply are installed in groups on three layered heat sinks， and a complete air duct is formed with the equipment sidewall to achieve forced air cooling and heat dissipation of the power amplifier unit. Theoretical calculations of heat conduction and heat dissipation were conducted on the device， and a model was established by the simulation software for numerical analysis. The numerical simulation results show that when the heat exchange of the amplifier unit reaches equilibrium during normal operation， the maximum temperature of the amplifier module casing is 64.2 ℃， which meets the design requirements. The feasibility of the design scheme of the power amplifier unit based on the combination insert heat sink structure and the rationality and correctness of the calculation and simulation methods are verified by means of the physical prototypes.

Keywords： power amplifier; insert heat sink; forced air cooling; air cooling and heat dissipation; theoretical calculations; thermal design

0" 引" 言

隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，設備功率密度越來越高，特別是功率器件發(fā)熱量大、熱量密度高，需要選擇合理有效的散熱方式把器件的溫度控制在規(guī)定的數(shù)值下[1]。因此對電子設備進行熱設計和分析，并進行相應的結構設計是提高電子設備可靠性的重要措施[2]。鋁翅片散熱器具有結構緊湊、傳熱效率高、散熱面積大等特點，被廣泛應用在功率器件上。人們在常規(guī)散熱器肋片形狀與肋片厚度、高度、間距等主要的結構參數(shù)相關方面開展了豐富研究與試驗，同時對于提高散熱能力的新型散熱器也在探索，如插片式熱管翅散熱器與帶內(nèi)流道的板翅式換熱器等[3?4]。

功率設備散熱方案通常比較復雜，相關文獻[5?7]主要關注熱設計措施和方法，而忽略設備的總體結構設計，并且關于組合多個插片散熱器的應用研究較少。

基于此，本文設計一種基于插片散熱器某功放單元。本文中功放單元電器原理是通過多個功放模塊的合成輸出功率。該功放單元中主要熱耗器件是功放模塊和電源。因功放模塊具有功耗密度大、體積小等特點，所以功放器件的散熱是功放設備散熱的核心問題。本文中采用三個插片散熱器組合完成了某功放單元結構與散熱設計，實驗結果表明，該功放單元正常工作熱交換達到平衡狀態(tài)時，功放模塊外殼最高溫度為64.2 ℃，滿足設計要求。

1" 物理模型與結構

首先對功放單元電氣工作原理、內(nèi)部部件的數(shù)量與熱耗、使用環(huán)境條件進行分析，然后綜合維修性、熱設計、力學強度設計等因素，形成設備結構與散熱設計的初步設計方案。

該功放單元中6個功放模塊與功放電源總熱耗分別約為1 800 W和900 W，整個設備發(fā)熱量約為2 700 W，設備在室內(nèi)工作，環(huán)境溫度為（23±5） ℃。功放設備常用的散熱方式為液冷散熱和風冷散熱兩種[5?6]。液冷散熱雖然散熱能力較強，但存在結構復雜、體積大、成本高、維護維修繁瑣、易漏液等缺點；風冷散熱具有結構簡單、安裝方便、費用低、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。文獻[6?7]中指出，在熱流密度小于0.3 W/cm2的情況下，可直接強迫風冷，功放模塊的熱流密度約為0.7 W/cm2， 需要安裝散熱器增大散熱面積。選用插片式散熱器進行散熱，插片散熱器具有散熱面積大、散熱效率高的特點[3，8]；采用抽風式散熱，抽風時設備為負壓不易形流速死角，是目前常用的風冷方式。

在散熱器A上下表面通過螺釘安裝功放模塊，散熱器A上固定好功放模塊與合成器組件后，連接相應線纜；然后將散熱器B通過螺釘與散熱器A連接成一個整體，同時使散熱器B壓緊功放模塊，最后散熱器B另一面安裝電源模塊，內(nèi)部結構見圖1。發(fā)熱量最大的功放模塊上下表面均貼有散熱器進行散熱，電源模塊單面貼緊散熱器B，功放模塊與電源模塊產(chǎn)生的熱量通過傳導方式導入散熱器的基板，散熱器的散熱齒縱向延伸、橫向排布，并聯(lián)4個軸流風機對設備整體進行抽風冷卻[9]。如圖2所示，功放模塊、電源模塊、合成器組件、散熱器、左右側板、上下蓋板、前后面板組裝成完整的設備，要求散熱器A上下表面固定的三合成器的厚度小于功放模塊的厚度，以便散熱器B緊貼功放模塊；上下蓋板粘貼膠木板保證上下蓋板與電源模塊絕緣。上下蓋板與側板形成完整的風道，前面板設置長條形通風孔，整個通風面積與風扇通風面積相當；后面板安裝4個交流風機抽風散熱，工程上由于考慮風阻，通常按照1.5～2倍的風機風量選擇風扇，選用直徑為127 mm的風扇，單個風量為0.05 m3/s，最大靜壓為70 Pa。所有電氣接口設計在后面板上，設備外形尺寸為420 mm×550 mm×290 mm（寬×深×高），重量約35 kg。

散熱器本身是器件的安裝載體，又是熱源散熱的途徑。功放模塊和電源產(chǎn)生的熱量經(jīng)過外殼，通過熱傳導傳至散熱器基板，最終通過風扇強迫風冷散至周圍環(huán)境中。

2" 散熱器設計與加工

散熱器的設計要綜合考慮電子設備的結構要求、成本、風壓、散熱效率、加工工藝等條件[10]。翅片的厚度越小，齒間距越大；翅片的高度越大，風道的阻力越小。翅片越厚，熱阻越小；齒間距越小，翅片的數(shù)量越多，散熱面積越大。

本文參考工程案例并查閱相關文獻，選用直肋式散熱器，散熱器基板厚10 mm，散熱器A散熱齒高為76 mm，厚1.5 mm，間距為6.5 mm；散熱器B散熱齒高為40 mm，厚1.5 mm，間距為6.5 mm。

插片散熱器主要采用真空釬焊加工[11]，在一定真空度下，將被連接材料加熱到低于焊件、高于釬料的熔化溫度，使填充材料熔化，母材與釬料發(fā)生相互作用冷卻凝固后，形成冶金結合的連接方法。使用該方法能夠制造出高密度的散熱器，其加工工藝復雜，成本較高，但散熱器長寬比較大，散熱效率高。但該方法因其散熱翅片和底座之間采用焊接連接，存在焊接熱阻，對散熱片的散熱性能會有所影響。

3" 冷卻系統(tǒng)的計算與校核

設計要求功放模塊的表面溫度lt;70 ℃，電源表面溫度lt;80 ℃。設冷卻空氣入口溫度為tb=30 ℃，風冷系統(tǒng)設計經(jīng)驗表明，冷卻空氣出口溫度溫升不超過15 ℃散熱效果最佳。若th=45 ℃，6個功放模塊與散熱器接觸面熱量約為900 W，則定性溫度tf=0.5×（tb+th）=0.5×（30+45）=37.5 ℃，Δt=th-tb=15 ℃。空氣物性參數(shù)如下：比熱Cp=1 005 J/（kg·℃）；導熱系數(shù)k=2.83×10-2 W/（m·℃）；普朗特數(shù)Ρr=0.699；運動黏度υ=18.2×10-6 m2/s；動力黏度μ=2×10-5 kg/（m·s）。質量流量（單位為kg/s）可由熱平衡方程求得：

空氣主要通過三個散熱器，散熱器A的散熱齒高度是散熱器B的2倍。散熱齒間距與厚度一致，考慮到散熱器的風阻差異，初步估計流過散熱器A的風量約是散熱器B的2倍，流過散熱器A的質量流量（W1）為0.089 kg/s，流過散熱器B的質量流量為0.045 kg/s。

散熱器A每個冷卻空氣通道的當量直徑（單位為mm）為：

式中：A為槽道橫截面積；U為流體的濕潤周邊長。

散熱器A冷卻空氣通道的通道數(shù)為50個，每個通道的質量流量（單位為kg/s）為：

[W'=W150=1.78×10-3] （3）

每個通道的質量流速（單位為kg/（s·m2））為：

每個通道的雷諾數(shù)為：

由于冷卻通道縱橫比（[766.5]）gt;8，計算考爾本數(shù)[12]，公式如下：

換熱系數(shù)hc（單位為W/（m2·℃））為：

[hc=JCpG'Pr-2/3=3.23×10-3×1 005×3.6×0.699-2/3=14.8] （7）

可算出功放模塊到散熱器A的溫降（單位為[℃]）為：

式中：[?]1為散熱器A的散熱量，為功放模塊總熱量的[12]，約900 W；Αc為散熱器表面積，Αc=50×2×（76+6.5）×400=3.3 m2。

功放模塊與散熱器之間存在接觸熱阻Rs，接觸熱阻與接觸表面的粗糙度、接觸壓力以及填充介質均有關系，[Rs]（單位為[℃/W]）、[ΔT]（單位為[℃]）公式如式（9）、式（10）所示。表面粗糙度越小，接觸壓力越大，介質導熱率越高，形成的接觸熱阻就越小[13]。為減小接觸熱阻，在功放模塊與散熱器涂抹導熱硅脂。

式中：δ為導熱硅脂厚度，取0.08 mm；[Ks]為導熱硅脂導熱系數(shù)；[As]為功放模塊與散熱器的接觸面積。

功放模塊表面溫度[tc]（單位為[℃]）為：

[tc=tf+Δt+ΔT=37.5+18.4+1=56.9] （11）

4" 冷卻系統(tǒng)的設計仿真

經(jīng)驗理論計算不能準確地計算設備的溫度分布，同時模型的簡化會導致計算結果不精確。采用熱仿真軟件對該功放單元進行仿真計算，建立模型，依據(jù)估算的雷諾數(shù)選擇紊流模型，設定環(huán)境溫度為30 ℃，入口設置為體積流量入口，依據(jù)風機曲線設置流量；出口設置為壓力出口，出口壓力默認為1個大氣壓，并設置收斂判據(jù)等后，劃分網(wǎng)格運算。仿真結果如圖3所示，功放模塊平均溫度約為64 ℃，滿足小于70 ℃的設計要求；電源模塊單面散熱，平均溫度為67 ℃，低于設計要求80 ℃，如圖3、表1所示。單個風量流量為0.036 8 m3/s，所選風扇風量總和大于理論計算值；散熱器A內(nèi)部的空氣流速約為2.3 m/s，散熱器B內(nèi)部的空氣流速約為2.6 m/s，如圖4、表1所示。

通過觀察散熱器A的溫度分布，發(fā)現(xiàn)散熱器基板貼熱源部位溫度最高為65 ℃，進氣端溫度最低為43 ℃，出氣端溫度居中，為56 ℃。但發(fā)現(xiàn)散熱器A的溫度不夠均勻，進出氣口的溫差達20 ℃，溫度圖如圖5所示。最高流速數(shù)據(jù)如表2所示。

功放物理樣機實物圖如圖6所示。在室內(nèi)溫度約為25℃的情況下，該功放單元實物初樣工作性能穩(wěn)定后，監(jiān)測功放模塊外殼的溫度約為58.5 ℃，出風口處空氣溫度為40 ℃，實驗結果與仿真結果基本吻合。但熱耗估算、計算模型簡化、輻射影響、接觸熱阻的簡化、仿真模型簡化、網(wǎng)格的大小和質量等因素[14]會導致理論計算、仿真分析與樣機現(xiàn)場測量的差異。

5" 結" 語

本文基于插片散熱器，綜合結構與散熱設計，采用多層組合插片散熱器實現(xiàn)功放的結構設計。首先進行了理論計算，并仿真分析了功放單元的溫度分布和設備內(nèi)部氣流狀態(tài)；其次，研制了原理樣機，樣機結構緊湊，散熱效果好，工作性能穩(wěn)定，證實了功放單元散熱、結構一體化設計方案的合理性以及理論計算、仿真分析方法的正確性，為進一步研制工程樣機奠定了基礎。下一步可開展優(yōu)化散熱器結構方面的研究，以進一步減輕設備重量與體積，使散熱器溫度均勻，提高散熱效率。

插片散熱器具有散熱面積大、重量輕等特點，較傳統(tǒng)散熱器具有明顯優(yōu)勢，非常適合在風冷系統(tǒng)中應用，相同體積比型材散熱表面增加2～3倍，傳熱效率[12]可達78%～90%。插片散熱器在滿足設備或器件相同散熱要求的情況下尺寸可減少50%以上，同時可減輕設備重量[7]，能夠在工程實踐中進一步推廣應用。

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