某機(jī)載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)

摘 要： 為了提高機(jī)載電子設(shè)備的冷卻散熱性能，保證設(shè)備可靠穩(wěn)定工作，采用熱仿真方法，對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了多種不同的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析。綜合考慮設(shè)備散熱效果及可維修性，確定了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)。該熱設(shè)計(jì)方案已隨電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一起通過(guò)了各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，使用情況良好，同時(shí)，也為同類型機(jī)載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)提供了較大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 機(jī)載； 電子設(shè)備； 熱設(shè)計(jì)； 熱仿真

中圖分類號(hào)： TN806?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）03?0151?03

0 引 言

隨著微電子技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備也呈現(xiàn)出高性能、小型化的發(fā)展趨勢(shì)，與此同時(shí)，電子設(shè)備所處環(huán)境更為惡劣，面臨的挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻，使得其熱流密度急劇增大，元器件溫度不斷升高，產(chǎn)品可靠性逐漸降低。電子設(shè)備的散熱問題日益嚴(yán)重，工程師在設(shè)計(jì)階段對(duì)電子設(shè)備的熱布局越來(lái)越重視，因此，熱設(shè)計(jì)成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1?4]。

熱設(shè)計(jì)的方法主要有試驗(yàn)、類比和仿真。試驗(yàn)方法能夠準(zhǔn)確得到設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵元器件的溫度分布，但是必須設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，改進(jìn)熱設(shè)計(jì)的代價(jià)較大；類比方法操作方便、簡(jiǎn)單易行，但是只有同類型或者相似類型的產(chǎn)品可以比較，新研發(fā)的產(chǎn)品沒有類比的基礎(chǔ)，不可能得出類比結(jié)果；熱仿真采用數(shù)學(xué)手段，能夠比較真實(shí)地模擬設(shè)備的熱狀況，在方案階段就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生產(chǎn)的費(fèi)用，降低資源消耗，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的一次性成功率，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性及可靠性提供有力保障[5?7]。

本文采用熱仿真方法，對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)[8?10]。針對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出多種不同的設(shè)計(jì)方案并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)某機(jī)載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)。

1 熱設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)電氣功能設(shè)計(jì)要求，某機(jī)載電子設(shè)備由1個(gè)電源模塊和4個(gè)功能模塊組成，各模塊安裝順序如圖1所示，其中，模塊4為電源模塊，其余模塊為功能模塊。設(shè)備總功耗約30 W，電源模塊功耗約10 W，模塊3功耗約10 W，其余模塊功耗共計(jì)10 W左右。設(shè)備所處外部環(huán)境溫度為70 ℃，采用自然對(duì)流冷卻散熱方式，模塊內(nèi)部關(guān)鍵元器件允許的最高工作溫度為105 ℃。

2 熱設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 整機(jī)熱設(shè)計(jì)

對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備整機(jī)進(jìn)行熱仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，設(shè)備內(nèi)部溫度最高點(diǎn)為模塊3上某處器件比較集中的區(qū)域，最高溫度達(dá)到111 ℃左右，超過(guò)了元器件允許的最高工作溫度，其他模塊溫度分布相對(duì)比較均勻，平均溫度不超過(guò)100 ℃，基本接近元器件允許的最高工作溫度。

考慮到整機(jī)熱量集中于設(shè)備中部模塊3上熱流密度較大的區(qū)域，因此，調(diào)整設(shè)備整體結(jié)構(gòu)布局，提出如下幾種熱設(shè)計(jì)方案：

方案一：將模塊3與模塊1調(diào)整位置，并旋轉(zhuǎn)模塊3的方向使得器件面朝上，保證模塊3及其上布置的元器件靠近側(cè)板以利于散熱；

方案二：將模塊3上發(fā)熱量較大的元器件直接布在中導(dǎo)軌上以利于散熱；

方案三：將模塊3上發(fā)熱量較大的元器件直接布在側(cè)板上以利于散熱；

方案四：將模塊3上發(fā)熱量較大的元器件緊貼橫梁以利于散熱；

方案五：將模塊3上發(fā)熱量較大的元器件緊貼橫梁及側(cè)板以利于散熱。

對(duì)上述幾種不同的熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真對(duì)比，得到整機(jī)溫度場(chǎng)分布如圖3～圖7所示。

2.2 模塊熱設(shè)計(jì)

整機(jī)熱仿真結(jié)果表明，設(shè)備內(nèi)部溫度最高點(diǎn)集中在模塊3上，因此，著重對(duì)模塊3進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。模塊3上主要發(fā)熱元器件布局如圖8所示，圖中虛線框內(nèi)的6個(gè)元器件功耗合計(jì)5 W以上且集中布局，局部熱流密度較大，因此，溫度相對(duì)較高。模塊熱設(shè)計(jì)過(guò)程中，在兼顧電性能的前提下，將這6個(gè)功率集中的元器件布局略微調(diào)整，如圖9所示，調(diào)整前后的模塊熱仿真結(jié)果分別如圖10，圖11所示。

3 熱設(shè)計(jì)分析

對(duì)上述五種不同方案的結(jié)構(gòu)布局及散熱效果對(duì)比分析如下：

方案一通過(guò)改變模塊3的位置及器件面朝向，使得大功耗元器件靠近側(cè)板但沒有與側(cè)板金屬殼體接觸，散熱效果較之原始布局略有增強(qiáng)但并不明顯；

方案二和方案三將模塊3上發(fā)熱量較大的元器件直接布置在導(dǎo)軌或側(cè)板上而不是布置在印制板上，通過(guò)導(dǎo)軌或側(cè)板將大功耗元器件的熱量完全散失，由于導(dǎo)軌或側(cè)板是純金屬殼體，導(dǎo)熱系數(shù)大，因此，此種布局方式換熱效果較好，大功耗元器件集中區(qū)域最高溫度僅為99.3 ℃，但是這種布局方式將元器件完全固定在電子設(shè)備的側(cè)板或?qū)к壍冉Y(jié)構(gòu)部件上，可維修性較差；

方案四將模塊3上發(fā)熱量較大的元器件緊貼橫梁，通過(guò)橫梁和蓋板的接觸將熱量散失，與方案二和方案三相比，接觸熱阻多，傳熱路徑長(zhǎng)，散熱效果差，但是，在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)可以僅將模塊3拆卸維修，現(xiàn)場(chǎng)可更換性強(qiáng)；

方案五將模塊3上發(fā)熱量較大的元器件一面緊貼側(cè)板，另一面緊貼橫梁，大功耗元器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)側(cè)板以及橫梁和蓋板同時(shí)散失，元器件集中區(qū)域最高溫度僅為98.8 ℃，完全可以滿足整個(gè)設(shè)備的使用要求，同時(shí)兼顧了設(shè)備的維修性。

通過(guò)上述對(duì)比分析，選擇方案五作為某機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)模塊3上元器件布局進(jìn)一步調(diào)整，調(diào)整以后的模塊3局部熱流密度有所降低，元器件溫度降低了約4 ℃左右，由于考慮電性能的要求，模塊3上功耗集中區(qū)域的元器件不能過(guò)于分散布局，因此，調(diào)整布局以后的元器件溫度并沒有降低太多，但是，完全能夠滿足元器件使用溫度要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比多種不同的熱設(shè)計(jì)方案，綜合考慮散熱效果及可維修性，選擇了最優(yōu)的熱設(shè)計(jì)方案并據(jù)此開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，某機(jī)載電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)已隨電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一起通過(guò)了各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，現(xiàn)已成功交付用戶，使用情況良好。同時(shí)，本文提出的熱設(shè)計(jì)方案也為同類型機(jī)載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)尤其是采用類比方法進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)提供了較大的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] HANREICH G， NICOLICS J， MUSIEJOVSKY L. High resolution thermal simulation of electronic components [J]. Microelectronics Reliability， 2000， 40： 2069?2076.

[2] JANICKI M， NAPIERALSKI A. Modelling electronic circuit radiation cooling using analytical thermal model [J]. Microelectronics Journal， 2000， 31： 781?785.

[3] 張雪粉，陳旭.功率電子散熱技術(shù)[J].電子與封裝，2007，21（7）：35?39.

[4] 趙春林.電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2002，18（5）：40?42.

[5] 陳恩.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)研究[J].制冷，2009，28（3）：53?58.

[6] 付桂翠，高澤溪，方志強(qiáng)，等.電子設(shè)備熱分析技術(shù)研究[J].電子機(jī)械工程，2004，20（1）：13?16.

[7] 薛軍，孫寶玉，劉巨，等.熱分析技術(shù)在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（2）：176?179.

[8] 白秀茹，劉全勝.工程設(shè)計(jì)中的熱設(shè)計(jì)仿真[J].綜合電子信息技術(shù)，2007，33（4）：40?42.

[9] 徐曉婷，朱敏波，楊艷妮.電子設(shè)備熱仿真分析及軟件應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù)，2006，27（5）：265?268.

[10]李琴，朱敏波，劉海東，等.電子設(shè)備熱分析技術(shù)及軟件應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2005，14（2）：50?52.