某車載信號源的熱設計

張育棟

【摘 要】本文用熱分析軟件ANSYS Icepak對某車載信號源的初始結構進行分析，重點關注各模塊的最高溫度和機箱中的速度分布，發現了結構的不足之處，通過改進設計，進一步增強模型的散熱能力，為設計提供理論依據。

【關鍵詞】熱設計；最高溫度；結構改進；理論依據

【Abstract】Numerical study of a vehicular signal cabinet initial structure was completed with software ANSYS Icepak in this paper. The difference of maximum temperature on each module and velocity field in the cabinet was compared to find the deficiencies of the structure. In order to enhance the cooling capacity of this cabinet， an improving structure was designed and compared with the initial one. The results of this paper could provide theoretical guidance for the structure design of the cabinet.

【Key words】Thermal design； Maximum temperature； Structure design； Theoretical guidance

0 前言

這些年來信息技術和工業生產力都在強勁增長，其中涉及到的電子系統極為廣泛，可以從納米級的集成電路到各種功能的電子設備和更復雜的數據中心。根據相關統計，電子設備由于過熱導致的失效約有一半以上。隨著溫度的增長，電子設備的失效率呈現出指數增長的趨勢，對于大部分電子元器件，當環境溫度上升10℃，其可靠性將降低一倍，這就是著名的“10℃法則”[1]。為了使電子設備能正常的工作，必須及時地將其中的電子元器件產生的熱量散發到環境之中，這對設備的可靠性有著十分重要的意義。

電子設備熱設計是芯片級、元件級、組體級和系統級可靠性設計的一項關鍵技術，其主要目的是為設備提供良好的熱工作環境，防止元器件的熱失效，以保證它們在規定的熱環境條件下，可以按照預定的方案正常工作[2]。在確定熱設計方案時，主要設計參數應選擇元器件的最大功耗以及器件所允許的最高溫度。對于工作系統而言，需要采用合適的方法將元器件產生的熱量耗散掉，并將元器件的溫度維持在一個合理的水平。

本文通過專業的熱分析軟件ANSYS Icepak對一種車載信號源進行了研究，分析該設備的工作情況，并改進結構的不足之處，以提高該設備的適應性，為該機箱的設計提供理論依據。

1 計算模型

本文研究的車載信號源三維模型如圖1中所示，各模塊位置如下圖2所示。

信號源的組成部分有：機箱、支架、母板、風機、一個TR組件、一個電源模塊、一個接收模塊和一個發射模塊。機箱和支架都為鋁合金材料。四個模塊通過支架安裝在機箱里，其中發射模塊最大熱功耗為35W，接收模塊最大熱功耗為15W，電源模塊最大熱功耗為15W，TR組件最大熱功耗為16W。機箱左側裝有風機，底面左右兩側各有一個通風口，通過強迫對流進行散熱。

2 仿真分析

將整個信號源模型導入軟件Icepak中，選用Blocks模型對各個模塊進行替換，設置相應部分的材料和熱功耗。對整個模型用六面體網格進行劃分，選取合適的網格單元大小并對局部網格進行細化，最后得到網格單元數為651612，節點數為674528。經檢查，網格質量良好，滿足計算要求[3]。

考慮到室外工作環境的情況，分別對環境溫度為25℃和65℃的模型進行了仿真計算。選用的風機特性曲線如下圖3所示。各模塊的最高溫度如下表1所示。

可以看出，四個模塊中發射模塊的溫度最高，遠遠超過其他模塊。環境溫度為25℃時，發射模塊的最高溫度為41.5℃，各模塊溫度都低于80℃；環境溫度為65℃時，四個模塊的溫度云圖如圖4所示，其中發射模塊的最高溫度為81.5℃，超過了模塊的最大許可溫度，需要進行結構改進。兩種條件下，發射模塊的最大溫升都是16.5℃。

3 結構改進

為了進一步地降低模塊的溫度，提高設備可靠性，需要對信號源箱體進行改進。發射模塊熱功耗大、溫度最高，需在其安裝支架底部加裝散熱翅片；考慮到TR組件的表面積較小、熱流密度較高，在TR組件上表面也加裝散熱翅片。翅片的安裝位置如下圖5（a）所示；翅片的相關尺寸如圖5（b）所示，翅片高度為6mm，寬度為2mm，翅片間隔2mm，基板厚度為2mm。在機箱的左右兩側，設計斜風道，如圖6所示。

進過仿真計算，求解改進后模型的相關數據。當環境溫度為65℃時，表2對比了模型改進前和改進后不同模塊的最高溫度。可以看到，結構改進后各模塊溫度均有降低，發射模塊的最高溫度降為76.3℃，最大溫升為11.3℃，滿足模塊溫度低于80℃的要求。

本文用熱分析軟件Icepak對車載信號源的初始結構進行了分析，并進行了設計改進，降低了各模塊的最高溫度，為該設備的結構設計工作提供了指導。

【參考文獻】

[1]付桂翠，高澤溪，方志強等.電子設備熱分析技術研究[J].電子機械工程.2004， （1）.13～16；

[2]趙惇殳.電子設備熱設計[M].北京：電子工業出版社.2009；

[3]ANSYS Icepak 13.0 HELP Release 13.0[Z].

[責任編輯：張濤]