基于Flotherm的某電子設(shè)備功放模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

姜磊鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

?

基于Flotherm的某電子設(shè)備功放模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

姜磊鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

摘要：散熱不良導(dǎo)致的熱失效是電子設(shè)備失效的主要形式。以某電子設(shè)備功放模塊為例，使用專業(yè)熱仿真軟件Flotherm分析相同邊界條件下兩種結(jié)構(gòu)的熱效應(yīng)，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備；熱仿真；Flotherm軟件

0引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)備的功率密度越來越大，散熱不良導(dǎo)致的熱失效成為電子設(shè)備失效的主要形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備失效問題中超過60%是因?yàn)樯釂栴}引起的[1-2]。因而，能夠解決電子設(shè)備過熱問題的熱分析、熱設(shè)計(jì)和熱測試技術(shù)得到了迅速發(fā)展[3]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行熱仿真分析，可以得到所計(jì)算模型的最高溫度、最低溫度及溫度分布情況。掌握這些重要信息后，可以對模型結(jié)構(gòu)及布局進(jìn)行合理調(diào)整或采用必要的散熱措施[4]，再繼續(xù)進(jìn)行熱分析計(jì)算，如此反復(fù)迭代，優(yōu)化模型的熱設(shè)計(jì)。

實(shí)際研究中，傳統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算復(fù)雜耗時(shí)且需要不斷的試驗(yàn)對比驗(yàn)證，而通過在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段應(yīng)用CFD軟件對產(chǎn)品的熱性能進(jìn)行預(yù)估，以避免可能存在的電子器件散熱問題，可以極大地提高效率，縮短研發(fā)周期，降低成本。本文以某電子設(shè)備功放模塊為例，使用Flotherm軟件分析相同邊界條件下2種結(jié)構(gòu)的熱效應(yīng)，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1功放模塊簡介

功放模塊的主要功能是將所接收的激勵(lì)輸出信號進(jìn)行功率放大。基本流程是：激勵(lì)輸出信號進(jìn)入功放后，首先通過功分器均分為多路信號，然后對每路信號進(jìn)行獨(dú)立放大，最后再通過功分器合成為一路信號，輸出給發(fā)射天線，從而增大電子設(shè)備的通信范圍。

功放模塊的主要組成部分是功率管，其隨著溫度變化具有一段穩(wěn)定的線性功率輸出區(qū)間，若溫度過高，超出此區(qū)間后，增益將迅速下降，影響電子設(shè)備正常工作。連續(xù)工作狀態(tài)下，功率管的結(jié)溫計(jì)算公式為：

(1)

式中：Tj為結(jié)溫(℃)；Tc為殼溫(℃)；Rjc為結(jié)殼熱阻(℃/W)；Pdiss為熱耗功率(W)。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一

方案一如圖1所示，模塊散熱為兩側(cè)風(fēng)道，其中外側(cè)風(fēng)道為主散熱風(fēng)道，散熱齒高10 mm(散熱齒與殼體為一體)，內(nèi)側(cè)風(fēng)道為輔助散熱風(fēng)道，散熱齒高8 mm(散熱齒與蓋板一體)。

圖1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二

方案二如圖2所示，將模塊散熱結(jié)構(gòu)改為外側(cè)單風(fēng)道，散熱齒高度15 mm。

圖2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二

3熱仿真分析

3.1邊界條件

仿真邊界條件設(shè)置如下：環(huán)境溫度25℃，功放單元170 W，電源單元195 W，數(shù)據(jù)處理單元作為準(zhǔn)絕熱體處理，其主要作用為結(jié)構(gòu)上形成并聯(lián)風(fēng)道。

選用Ebm公司4112NHH型風(fēng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)外形尺寸為119 mm×119 mm×38 mm，開口流量260 m3/h，閉口壓力188 Pa，抽風(fēng)方式冷卻。

3.2結(jié)果分析

3.2.1方案一仿真結(jié)果

風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)如圖3所示，流量85.5 m3/h，工作壓力114 Pa，風(fēng)機(jī)效率31%，出口平均溫度36.27 ℃。

圖3　方案一風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

功放腔內(nèi)和外側(cè)風(fēng)道溫度分布云圖如圖4所示。各模塊熱功耗、流量、仿真殼壁最高溫度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖4　方案一溫度分布云圖

模塊熱功耗(W)流量(m3/s)模塊出風(fēng)溫度(℃)功率占比流量占比盒體最高溫度(℃)功放單元1700.0108外風(fēng)道42.7內(nèi)風(fēng)道35.734%42%74.5電源單元1800.007140.536%28%65.6信號處理單元150(未參與計(jì)算)0.0074/30%30%/

模塊最高殼溫74.5 ℃，選用的功率管結(jié)殼熱阻數(shù)值為1.27 ℃/W，結(jié)溫為250 ℃。預(yù)估結(jié)溫為：

Tj=Tc+Rjc·Pdisa=74.5+1.27×65=157℃<250℃

3.2.2方案二仿真結(jié)果

風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)如圖5示，流量77.26m3/h，工作壓力120Pa，風(fēng)機(jī)效率28%，出口平均溫度37.14℃。

圖5　方案二風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

功放內(nèi)部溫度分布云圖如圖6示。

圖6　方案二溫度分布云圖

各模塊熱功耗、流量、仿真殼壁最高溫度如表2所示。

模塊最高殼溫69.1 ℃，選用的功率管結(jié)殼熱阻數(shù)值為1.27 ℃/W，結(jié)溫為250 ℃。預(yù)估結(jié)溫為：

Tj=Tc+Rjc·Pdiss=69.1+1.27×65=151.6℃<250℃。

表2　方案二仿真結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.3小結(jié)

從表1和表2可以看出，風(fēng)機(jī)流量的分配基本與設(shè)備的功率分配相匹配。其中，方案二改為單風(fēng)道后，風(fēng)機(jī)總的效率有所下降，分配給功放的風(fēng)量減小，但全部風(fēng)量由主風(fēng)道內(nèi)換熱，功放模塊發(fā)熱器件為單面貼壁(貼主風(fēng)道內(nèi)表面)，換熱效率高，模塊出風(fēng)口溫度較高。所以，方案二的散熱效果較方案一好。

4結(jié)束語

應(yīng)用Flotherm仿真軟件，可以快速有效地得出電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的分析結(jié)果，模擬出設(shè)備的溫度場分布，從而使設(shè)計(jì)者對設(shè)備的散熱能力有直觀、準(zhǔn)確的了解，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題并予以修改，使其能夠滿足設(shè)計(jì)需求，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)，值得在電子設(shè)備熱分析中推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1]趙惇殳．電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]．南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

[2]電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，1989.

[3]程尚模.傳熱學(xué)[M].北京：高等教學(xué)出版社，1990.

[4]基于Flotherm的電子電路熱仿真分析與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015.

Optimization Design of Power Amplifier Module for A Certain Electronic Equipment Based on Flotherm

JIANG Lei-peng

(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Abstract:The thermal failure caused by bad heat dissipation is a main mode of electronic equipment failure.Taking the power amplifier of a certain electronic equipment as an example,this paper uses special thermal simulation software Flotherm to analyze the thermal efficiency of two kinds of structures under the same boundary condition,seeks for the most optimized design scheme.

Key words:electronic equipment;thermal simulation;Flotherm software

收稿日期:2015-12-22

中圖分類號：TN722.75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：CN32-1413(2016)02-0112-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.027