基于仿真的大功率功放模塊強迫風冷散熱結構設計

李兵強，劉新博，馮昕罡

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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基于仿真的大功率功放模塊強迫風冷散熱結構設計

李兵強，劉新博，馮昕罡

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

某數據鏈設備的功放模塊發熱問題比較突出，常溫工作即發生熱保護。分析了該功放模塊原散熱結構存在的問題，對其進行了改進設計。設計過程中應用熱仿真軟件輔助分析，建立了模塊的熱仿真模型，分析了常溫和高溫工作時模塊散熱性能。最后對常溫散熱性能進行了熱測試，驗證了仿真模型的準確性，表明改進后的模塊散熱結構方案有效可行。

功放模塊；熱仿真；強迫風冷

0 引 言

隨著電子通信設備的作用距離越來越遠，要求其功率發射單元——功放模塊不斷向高功率、高密度方向發展。功放模塊的主要熱源是功率管，尤其是末級功率管，熱耗占功放模塊70%以上，熱量非常集中。模塊散熱不良會導致功率管結溫升高，進而發射功率下降，設備通信距離不足，甚至管芯溫度超過功率管許用結溫而燒毀。因此要求對功放模塊進行良好的散熱設計，保證其持續穩定可靠的工作[1]。

空氣自然對流、強迫風冷和液冷是電子設備最常用的3種散熱方式。對于大功率功放模塊，空氣自然對流散熱能力不足，液冷散熱系統過于復雜，強迫風冷散熱系統相對簡單，散熱能力可以滿足大部分場合的需求。某數據鏈設備研制過程中，其大功率功放模塊散熱能力不足，在散熱結構改進設計過程中，綜合應用熱測試和熱仿真分析軟件進行輔助設計，縮短了研發周期，較為快速地獲得了散熱設計方案。改進后的模塊熱測試結果滿足設計要求，可為同類型大功率功放模塊散熱提供一定的設計參考。

1 功放模塊散熱設計要求

某數據鏈設備結構設計參考了標準航空機載機箱(ATR)的尺寸和安裝使用要求，應用模塊化結構設計理念，采用積木拼裝式模塊化組合結構，模塊殼體上直接加工散熱齒，裝配后模塊間形成風道，散熱方式為間接強迫風冷。其中功放模塊發熱最為嚴重，平均熱耗約為250 W，模塊尺寸限制為寬×高×深=65 mm×194 mm×320 mm，重量不大于3.8 kg。功放模塊的主要功能是將激勵信號進行功率放大由天線輸出，或者接收天線的信號進行處理后輸送至數據處理單元。該功放模塊為雙天線結構，設計要求常溫下雙天線同時發射時，單端口穩態輸出功率不小于100 W。

2 原模塊散熱結構及測試

功放模塊初版散熱結構如圖1所示，模塊設計為兩腔結構，外側腔內安裝各熱源微波組件，內側腔中加工散熱齒，通過螺釘與相鄰模塊殼體裝配后形成閉合風道，通過設計不同的安裝托架，冷卻風源既可以是設備安裝平臺供風，也可以在托架底部安裝風機供風。各個風道的風量分配通過調整進風口大小和風道內阻力進行控制。

調試過程中發現，室溫下功放模塊發熱嚴重，發射功率隨著模塊溫度升高而迅速下降。為此，室溫下(+25 ℃)對模塊進行熱測試，模塊外殼溫度測點和輸出功率的熱測試結果如圖2所示。

由圖2可知，模塊工作后溫度迅速上升，輸出功率很快降至100 W以下。實際調試中發現，常溫下模塊工作約20 min后過溫保護，模塊散熱能力不滿足設計要求。

經分析，模塊散熱能力不足主要有以下3點：

(1) 風道設計不合理，風阻過大，風道寬度過窄(10 mm)，進出風口尺寸過小，風道內散熱齒過密；

(2) 功率管散熱路徑上熱阻過大，導致局部過熱；

(3) 射頻電路設計上采用單管輸出方式，造成單個功率管熱耗過大；

(4) 整機為多風道并聯結構，風道系統復雜，阻力計算不準確，造成了分配至功放模塊的風量不足。

3 改進后功放模塊散熱結構

針對初版模塊出現的散熱問題，再版時散熱結構進行了改進設計，主要表現在以下幾個方面：

(1) 由整機散熱改為模塊自帶風機散熱

綜合考慮模塊內部微波組件布局要求、器件發熱特性、電磁屏蔽要求和維修的方便性等因素，模塊設計為多腔結構，采用自帶風機間接強迫風冷方式，風道設計在模塊外側，與內部電路組件安裝空間隔離。設計完成后,模塊散熱結構在整機中的示意如圖3所示。

采用吹風散熱方式，風機選擇計算如下：

(1)

式中：Pr為模塊熱耗(W)；cP為空氣比熱容(J/(kg·℃)),標況下取為1 005 J/(kg·℃)；ρ為空氣密度(kg/m3)，標況下為1.29 kg/m3；Qf為體積流量(m3/s)；ΔT為進出口溫差，初選15 ℃。

經計算所需冷卻風量為46.3 m3/h。綜合考慮風機尺寸重量、流阻特性和環境適應性等因素，選擇3臺Sunon公司的Me50152V1-000C-A99型軸流式風機，外形尺寸為50 mm×50 mm×15 mm，開口流量31 m3/h，閉口壓力64 Pa。風機啟?？刂仆ㄟ^在模塊內部設置溫控點實現。

(2) 減小功率管散熱熱阻

功放模塊的主要熱源是功率管，尤其是4只末級功率管，占整個模塊熱耗的70%以上，其尺寸很小，若導熱熱阻過大很容易因局部過熱而損毀。

為了減小傳導熱阻，先將功率管焊接在紫銅板上(作均熱板用，保證熱量迅速散開)，導熱率385 W/(m·K)，再一起安裝在模塊盒體內腔底部。銅板與盒壁之間墊軟金屬導熱墊，厚度0.1 mm，導熱率為80 W/(m·K)，以減小界面接觸熱阻。在銅板正對的盒體外壁上直接加工散熱齒，盒體外腔與模塊外側蓋板形成風道，風機正對散熱齒吹風，強化對流散熱。功率管散熱路徑如圖4所示。

(3) 優化內腔組件布局和風道結構，減小風道阻力

對模塊熱源器件布局進行優化設計，盡可能為功率管背腔風道留出空間進行散熱器設計。借助熱仿真軟件，經過多輪優化設計，最終確定風道內散熱器尺寸為165 mm×180 mm×29 mm，基底厚度2 mm，散熱齒間距6 mm，齒底寬2 mm，齒頂寬1.2 mm。風扇嵌入到散熱器中安裝以節省空間。

(4) 電路設計上改進功率合成方式

將單個天線支路功率合成方式由單功率管輸出改為雙管合成輸出，從而單只功率管的熱耗只有原來的一半，可有效改善局部過熱問題。

模塊散熱結構改進設計完成后，如圖5所示。

4 改進后功放模塊的散熱仿真分析

模塊總熱耗為250 W，熱耗主要集中在4只末級功率管上，均為45 W，此外，濾波器、前級功率管和接收支路等其它組件熱耗也不可忽略，模塊熱分布如圖6所示。

仿真分析采用專業電子設備熱分析軟件FLOTHERM。為了簡化分析，忽略功放模塊和整機其它模塊間的熱傳導，將模塊進出風口用通風板代替，并去掉了模塊結構模型中的圓角、螺孔等幾乎不影響散熱又會引起網格數量劇增的小特征[2]。簡化模型導入FLOTHERM后如圖7所示。

熱仿真模型中，風道內速度梯度比較大，對風扇及散熱齒區域網格加密，通過局域化網格邊界限制網格最大長寬比，劃分完成后，模型總網格數約為115萬，最大長寬比為6。模塊殼體材料設定為AL6061，均熱板材料為紫銅。功率管按均質發熱體處理，材質為銅。均熱板與盒底之間的金屬導熱墊厚度太小，在模型中不進行建模，直接設定接觸熱阻[3]。

由于模塊重量要求十分嚴格，導熱銅板長度和寬度按空間布局選定為83.2 mm×42.8 mm，為了確定最優的導熱銅板的厚度，做如下仿真分析：以銅板厚度為輸入變量，功率管殼溫為輸出變量，仿真曲線如圖8所示。

初始不墊銅板，相當于功率管直接貼在殼體上?？梢钥闯觯鱼~板散熱效果相當明顯，隨著厚度增加，功率管殼溫一直下降，但降速變緩。綜合考慮散熱效果和重量，本設計散熱銅板厚度取為1.8 mm。

為了分析模塊在常溫和高溫下散熱性能，仿真分析設定環境溫度分別為室溫+25 ℃和模塊高溫工作溫度+55 ℃。設定所有邊界條件，計算收斂后，風機工作點如圖9所示。

風機工作效率約為37%，3個風機總流量約為38 m3/h，小于設計值，表明風機風量偏小。但限于模塊結構尺寸，該風機已是當前最優選擇。

常溫(+25 ℃)下模塊溫度分布如圖10所示。

圖10中模塊殼體上表面測點溫度為59.8 ℃，風道散熱齒底部測點溫度為65.8 ℃。

高溫工作(+55 ℃)時，模塊散熱環境最為嚴酷，仿真云圖如圖 11所示。

從仿真溫度云圖上看出，此時設計關心的功率管殼溫為107 ℃。按功率管結溫計算公式：

Tj=TC+Rjc·Pdiss

(2)

式中:Tj為計算結溫(℃)；Tc為功率管殼溫(℃)；Rjc為結殼熱阻(℃/W)；Pdiss為功率管熱耗(W)。

從該功率管技術手冊上查得其結殼熱阻為1.27 ℃/W，許用結溫為250 ℃，降額使用結溫不高于200 ℃。求得功率管結溫為164 ℃，滿足降額使用的設計要求。

5 改進后功放模塊常溫熱測試

模塊調試完成后，進一步對散熱性能進行了室溫下的測試。溫度測試采用1套安捷倫的34972A熱電偶溫度測試系統，由于模塊結構所限，無法直接測量功率管殼體溫度，測點位置選在圖10所示的風道散熱齒底面和模塊上表面。模塊輸出功率由人工每隔50 s從功率計讀取1次。搭建的熱測試環境如圖12所示。

模塊測點溫度和輸出功率隨時間變化曲線如圖13所示。模塊工作約半小時后達到熱平衡，穩態下單端輸出功率約104 W，滿足設計要求。測點仿真溫度和實測溫度對比如表1所示。

表1 常溫下仿真和測試結果對照表

從表1可看出，常溫下實測溫度略低于仿真溫度，誤差在5%左右。誤差主要來源于模型簡化、忽略輻射、熱源簡化和邊界條件簡化等原因[4]。誤差幅值在工程研究可接受范圍之內，表明建立的模塊熱仿真模型精度足夠，從而采用該熱模型分析的高溫下模塊溫度分布是可信的，高溫下功率管可以正常工作，滿足設計要求。

6 結束語

數據鏈設備的功放模塊熱耗較大，末級功率管的散熱問題尤為突出，是散熱結構設計的重點。本文詳細分析了影響某功放模塊散熱的主要因素，改進設計了一種間接強迫風冷方式的散熱結構，建立了熱仿真模型，分析了模塊的常溫、高溫工作散熱性能，經熱測試摸底，散熱能力達到設計要求。本文設計的間接強迫風冷結構散熱性能良好，結構緊湊，且具有電磁屏蔽和良好的“三防”能力，對其它機載設備功放模塊散熱結構設計具有一定的借鑒意義。

[1] 余建祖.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：高等教育出版社,2002.

[2] 李波,李科群,俞丹海.Flotherm軟件在電子設備熱設計中的應用[J].電子機械工程,2008,24(3):11-13.

[3] 景莘慧.某功放模塊的強迫風冷散熱設計[J].電子機械工程,2005,21(5):19-21.

[4] 曹紅,呂倩,韓寧.強迫風冷電子設備的熱仿真與熱測試數據對比分析[J].電訊技術,2008,48(7):109- 112.

DesignofForcedAirCoolingStructureforAmplifierModulewithHighPowerBasedonSimulation

LI Bing-qiang,LIU Xin-bo,FENG Xin-gang
(The 20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Xi'an 710068,China)

The heating problem of power amplifier module of a certain data link equipment is more serious,and the thermal protection occurs in working at normal temperature.This paper analyzes the existing problems of the original heat dissipation structure of the power amplifier module and performs improvement design.In the design process,the thermal simulation software is used to assist the analysis,and the thermal simulation model is established,as well as the heat dissipation performance is analyzed in working at normal temperature and high temperature.Finally,the heat dissipation performance at normal temperature is tested,and the accuracy of the simulation model is verified,which shows that the improved project is effective and feasible.

power amplifier module;heat simulation;forced air cooling

2017-03-25

TN03

：A

：CN32-1413(2017)03-0099-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.024