以熱設(shè)計(jì)為核心的某功放一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成永昌 郝炎輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州450047）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)控、通信、雷達(dá)的工作頻率已經(jīng)發(fā)展到毫米波頻段，處于發(fā)射鏈路末端的功放單元是發(fā)射鏈路中的核心設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)控精度、通信質(zhì)量、作用半徑等方面有決定性影響［1］。固態(tài)功放單元是由多個(gè)功放模塊組成的，通過多個(gè)模塊的合成輸出大的功率。功放模塊屬大功率模塊，具有功率大、功耗大、體積小、工作電壓高等特點(diǎn)，功放模塊的散熱是功放設(shè)備散熱的核心問題。需要選擇合理的散熱和冷卻方法,設(shè)計(jì)有效地散熱系統(tǒng),把電子元器件的溫度控制在規(guī)定的數(shù)值之下［2］，因而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。為了提高設(shè)備的可靠性，加快研制周期，在設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，已成為產(chǎn)品研制的重要發(fā)展趨勢(shì)。

大功率設(shè)備的結(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，相關(guān)文獻(xiàn)主要注重散熱問題的解決［3-4］，忽略設(shè)備的整體一體化設(shè)計(jì)。本文以熱設(shè)計(jì)為核心，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器完成了某功放單元設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)與散熱一體化設(shè)計(jì)，該功放單元結(jié)構(gòu)緊湊、體積小（高度6U，符合GB3047.2-92）、重量輕滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備上架要求。

1 物理模型與結(jié)構(gòu)

該功放單元中的熱流密度較大，主要熱源為功放模塊與電源模塊。每個(gè)功放模塊的熱耗約為300W，6個(gè)共1800W；另外加6個(gè)上功放電源的熱耗600W，整個(gè)設(shè)備發(fā)熱量共2400W。考慮到設(shè)備的實(shí)際使用環(huán)境、加工制造成本和維護(hù)性等方面的因素，通過功放模塊熱流密度計(jì)算分析，將散熱方案定為強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱系數(shù)是自然冷卻的數(shù)倍，且具有維修性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)為了提高散熱器的散熱效率，選擇了散熱面積較普通，散熱器高多倍的結(jié)合式插片散熱器。

經(jīng)估算，流經(jīng)功放模塊的熱流密度為0.69W/cm2，依據(jù)文獻(xiàn)［5］熱流密度小于0.3W/cm2可采取直接強(qiáng)迫風(fēng)冷，需要安裝與之相適應(yīng)的散熱器，通過采用散熱器增大散熱面積，以滿足強(qiáng)迫風(fēng)冷的要求。散熱器A（齒高76mm，厚1.2mm，間距6.5mm）上下表面安裝功放模塊，并依據(jù)散熱器A的高度尺寸確定合成器組件的結(jié)構(gòu)尺寸；散熱器B（齒高38mm，厚1.2mm，間距6.5mm）表面安裝電源模塊，并依據(jù)散熱器B的結(jié)構(gòu)尺寸確定電源模塊的結(jié)構(gòu)形式與尺寸。通過采用4個(gè)風(fēng)機(jī)（最大流量：6.6CMM）并聯(lián)對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽風(fēng)冷卻，并且將發(fā)熱較大的部件置于散熱器中央，另外為了提高散熱效果，盡量增大穿過散熱器肋片間的空氣流量和流速，因此將機(jī)箱內(nèi)散熱齒以外的空余部分多用擋風(fēng)板擋住，使冷卻空氣盡量通過散熱器肋間；散熱器本身是功放模塊、電源、合成器、分路器的結(jié)構(gòu)載體，同時(shí)又是散熱的途徑，如圖1。

圖1 功放組成示意圖

2 冷卻系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析與仿真

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常按照經(jīng)驗(yàn)公式估算設(shè)備的溫度，同時(shí)需要考慮風(fēng)道阻力、風(fēng)機(jī)曲線等因素，并且該估算的方法誤差較大，不能準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)備的溫度分布，經(jīng)驗(yàn)公式得到的數(shù)據(jù)僅供參考。由于上述功放單元裝配關(guān)系比較復(fù)雜，借助傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算分析，其結(jié)果勢(shì)必具有更多地偏差。

采用CFD熱仿真軟件Icepak對(duì)該功放單元的散熱結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行仿真計(jì)算，該軟件具有先進(jìn)的網(wǎng)格生成技術(shù)，包括自動(dòng)化的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生產(chǎn)能力，支持四面體、六面體以及混合網(wǎng)格，強(qiáng)大的網(wǎng)格檢查功能，并可利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格靈活地完成網(wǎng)格劃分。考慮到模型的對(duì)稱性與相似性以及計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并對(duì)其六分之一建模。根據(jù)設(shè)備工作條件為室內(nèi)環(huán)境，設(shè)定溫度為30℃，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，空氣設(shè)定為不可壓縮流體；由于電子設(shè)備為強(qiáng)迫空氣冷卻，可忽略輻射換熱的影響，熱量傳遞的方式為導(dǎo)熱和強(qiáng)迫對(duì)流；重力方向可以不考慮；采用穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算；依據(jù)雷諾數(shù)值，采用流體的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。補(bǔ)充數(shù)值計(jì)算所需的其他邊界條件、初始條件、收斂判據(jù)后，生成可供軟件直接調(diào)用的分析模型。仿真結(jié)果如圖2，功放模塊的表面溫度為49.9℃，電源模塊由于發(fā)熱量小，表面溫度只有42℃，通過觀察發(fā)現(xiàn)前端（進(jìn)氣端）溫度稍低于后端，分析是由進(jìn)氣端空氣溫度低引起的；通過觀察發(fā)現(xiàn)散熱器A內(nèi)部的空氣流速不均勻，風(fēng)扇大約為2.2M/S，如圖3，分析原因是由于風(fēng)道過長(zhǎng)，風(fēng)阻較大引起，散熱器B內(nèi)部風(fēng)速較均勻，風(fēng)速較大為3.3M/S。

3 實(shí)際樣機(jī)測(cè)試

該功放單元初樣研制完成后，在室內(nèi)溫度為27.5℃的情況下，該功放單元開始滿負(fù)荷工作大約60min后性能趨于穩(wěn)定，使該功放單元達(dá)到了熱平衡。使用帶溫度探針的三用表與紅外溫度計(jì)對(duì)設(shè)備的各點(diǎn)溫度狀況進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試出口處空氣溫度為39.3℃，電源模塊外殼溫度比較一致為38.3℃，中間功放模塊的外殼溫度為50.3℃，兩側(cè)功放模塊外殼溫度為46.2℃，取6個(gè)模塊的平均溫度47.5℃，由于在室內(nèi)溫度為27.5℃的情況下測(cè)試，考慮到與計(jì)算及仿真結(jié)果的可比性，功放模塊的溫度在環(huán)境溫度升高2.5℃的情況下外殼溫度相應(yīng)升高2.5℃，為49.5℃，電源模塊外殼溫度相應(yīng)升高為40.8℃，同時(shí)出口空氣相應(yīng)升高2.5℃，為41.8℃。

圖2 物體表面溫度云圖

圖3 散熱器內(nèi)部空氣流速圖

通過對(duì)比表1，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間存在一定偏差，計(jì)算模型簡(jiǎn)化、忽略輻射、實(shí)際測(cè)量的誤差是主要因素［6］。

表1 仿真、測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

4 小結(jié)

本文以設(shè)備電氣指標(biāo)為方向，采用結(jié)構(gòu)、散熱、電氣一體化設(shè)計(jì)，仿真分析了功放單元的溫度分布，研制了工程樣機(jī)。經(jīng)過產(chǎn)品的使用驗(yàn)證,該功放單元散熱效果好,設(shè)備工作性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)緊湊，滿足電氣指標(biāo)。隨著現(xiàn)代電子的發(fā)展，設(shè)備功率密度越來越高,特別是某些設(shè)備熱耗占總功率的80%～85%［7］，設(shè)備對(duì)可靠性要求進(jìn)一步提高，電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)也越來越重要。大功率電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要結(jié)構(gòu)與散熱一體化設(shè)計(jì),可參照本文設(shè)計(jì)思路，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真確定合理的散熱結(jié)構(gòu)方案，可以大大縮短產(chǎn)品的研制周期。

［1］李碩，楊志國(guó)，楊鎖強(qiáng)，等.用于熱備份的Ka頻段30W功放系統(tǒng)研制［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39（5）：59-62.

［2］王麗.大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)研究［J］.無線電工程，2009，39（1）：61-63.

［3］冷獻(xiàn)春.某固態(tài)功放設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2012，02：44-47.

［4］束峰濤.一種風(fēng)冷行波管的熱設(shè)計(jì)［J］.電子機(jī)械工程，2005，21（6）：15-19.

［5］呂洪濤.電子設(shè)備散熱技術(shù)探討［J］.電子機(jī)械工程，2011，27（5）：8-12.

［6］曹紅，呂倩，韓寧.強(qiáng)迫風(fēng)冷電子設(shè)備的熱仿真與熱測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析［J］.電訊技術(shù)，2008，48（7）：109-112.

［7］Hou Fengze，Yang Daoguo，Zhang Guoqi.Thermal analysis of LED lighting system with different fin heat sinks［J］.Journal of Semiconductors，2011，32（1）：54-56.