環(huán)境對模塊內(nèi)部相對溫度分布的影響研究

環(huán)境對模塊內(nèi)部相對溫度分布的影響研究

劉冠宏

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所西安710068）

工程上有時(shí)候模塊內(nèi)部的溫度不易監(jiān)測，如果知道模塊內(nèi)部及外殼一些主要點(diǎn)的溫度差，可以利用它通過模塊的表面溫度估算其內(nèi)部溫度。設(shè)備的實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜多變，論文對能否用某一環(huán)境條件下的相對溫度分布情況推斷其他環(huán)境條件下的相對溫度分布做了研究。文章以某電子設(shè)備功放模塊為例，使用專業(yè)熱仿真軟件Flotherm分析了不同的環(huán)境因素對模塊內(nèi)部各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)間溫度差的影響情況，并且通過實(shí)測進(jìn)行了驗(yàn)證。

電子設(shè)備；溫度分布；Flotherm

Class NumberTN919

1 引言

電子技術(shù)正在飛速發(fā)展，越來越大設(shè)備的功率密度分布，使散熱不良導(dǎo)致的熱失效成為了電子設(shè)備失效的主要形式［1］。據(jù)有效統(tǒng)計(jì)，超過55%的電子設(shè)備失效是因?yàn)樯嵊袉栴}引起的［2～3］。因而，與電子設(shè)備過熱問題相關(guān)的熱分析、熱設(shè)計(jì)和熱測試技術(shù)得到了迅速發(fā)展［4］。電子設(shè)備在實(shí)際工作中可能處于環(huán)境條件惡劣并且設(shè)備內(nèi)部溫度不宜測量的情況，這時(shí)對電子設(shè)備內(nèi)部溫度預(yù)估就顯得十分必要。如果得知模塊內(nèi)部各主要點(diǎn)間的溫度差，就可以通過殼溫估算該狀態(tài)下模塊內(nèi)部溫度［5］。那么當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，能否有個(gè)通用的溫度差可以供我們進(jìn)行溫度估計(jì)也顯得十分必要。本文針對這一問題，主要研究了不同環(huán)境條件下，模塊內(nèi)部各點(diǎn)間的溫度差的變化情況。

實(shí)際研究中，傳統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算很難解決復(fù)雜邊界條件的傳熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題［6］，而通過使用CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件對產(chǎn)品的熱性能進(jìn)行預(yù)估，可以極大地提高效率，降低成本［7］。Flotherm是英國Flomerics公司開發(fā)的一款強(qiáng)大的三維CFD電子系統(tǒng)散熱仿真軟件［8～9］，已廣泛使用在熱設(shè)計(jì)相關(guān)問題中。本文以某電子設(shè)備功放模塊為例，在設(shè)備內(nèi)部取了一系列監(jiān)測點(diǎn)，并且使用Flotherm軟件分析了不同環(huán)境下模塊內(nèi)部個(gè)監(jiān)測點(diǎn)間溫度差的變化情況。

2 理論分析

本文以一個(gè)強(qiáng)迫風(fēng)冷環(huán)境下的肋片為例進(jìn)行分析。肋片尺寸為2mm×10mm×30mm，左端t0，環(huán)境溫度為tf，若其右端溫度為t1，則溫度差Δt=t0-t1。該結(jié)構(gòu)散熱主要是肋片的熱傳導(dǎo)和空氣的強(qiáng)迫對流散熱。圖1為其散熱示意圖［10］。

根據(jù)傅立葉方程和牛頓方程，可以得到其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中記Q為溫度變化因子，它是一個(gè)和空氣的換熱系數(shù)相關(guān)的量。同時(shí)從上式可以得出，當(dāng)散熱量發(fā)生變化時(shí)，溫度差隨之成比例變化，而散熱量是和設(shè)備功率成正相關(guān)的量，所以設(shè)備內(nèi)溫升受設(shè)備功率影響很大。

如果認(rèn)為空氣的流速不變，換熱系數(shù)是和空氣的粘滯系數(shù)相關(guān)的。當(dāng)設(shè)備工作環(huán)境在工程適用范圍內(nèi)變化時(shí)，粘滯系數(shù)的取值為1×10-5～2×10-5m2/s。篇幅所限，直接畫出溫度變化因子Q隨v變化的曲線圖，如圖2所示。

可以看出其變化比較小，在0.0067～0.0060間變化。所以在工程適用環(huán)境條件下，設(shè)備內(nèi)的溫度變化量受環(huán)境溫度以及氣壓影響不大。

3 仿真模型

本文選用某設(shè)備功放模塊作為研究對象，雙邊工作狀態(tài)，強(qiáng)迫風(fēng)冷。盒體材料設(shè)定為Al-6061，其模塊背部有兩個(gè)微波功率器件，如圖3（a）所示，熱耗設(shè)為2×15W，其模塊正面有四個(gè)微波發(fā)射組件，如圖3（b）所示，熱耗設(shè)為4×50W。

如圖1（b）所示，在模塊正面設(shè)置11個(gè)溫度測點(diǎn)，以從上往下數(shù)第二個(gè)功率管為零點(diǎn)，各測點(diǎn)從右往左距零點(diǎn)位置為30，50，70，90，110，135，160，190，220，250mm。其中，第十一個(gè)點(diǎn)在設(shè)備外殼上。下面就可以仿真模塊在不同環(huán)境條件下工作時(shí)模塊內(nèi)部的溫度分布情況。

4 仿真分析

4.1 環(huán)境溫度的影響

當(dāng)環(huán)境溫度為20℃～80℃時(shí)，仿真上圖各測點(diǎn)溫度如表1所示。

表1 不同溫度下功放模塊內(nèi)部溫度分布

為了直觀地反映各測點(diǎn)間的溫度變化情況。對上表所示的數(shù)據(jù)，相鄰點(diǎn)作差值，得到溫度差的變化曲線（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如圖4所示。

圖中Xi大于等于110mm時(shí)，溫度梯度有個(gè)拐點(diǎn)。原因從仿真模型圖1可以看到，點(diǎn)0～點(diǎn)4在背腔是受風(fēng)機(jī)正吹的，點(diǎn)5～點(diǎn)10位于隔腔要通過傳導(dǎo)散熱。由于濾波器有一定熱耗，所以會(huì)出現(xiàn)溫度梯度拐點(diǎn)。

可以得到不同環(huán)境溫度下模塊內(nèi)部溫度變化情況幾乎相同。

4.2 海拔高度的影響

當(dāng)海拔高度為海平面、10000ft（3048m）、20000ft、30000ft、40000ft時(shí)仿真其溫度，如表2所示。從上表可以看出，隨著海拔高度升高，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)下移，體積流量增大，效率提高［11］，但質(zhì)量流量減小，冷卻效率下降，功率管殼溫明顯上升。

對表2所示的數(shù)據(jù)，相鄰點(diǎn)作差值，得到溫度差的變化曲線（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如圖5所示。

從圖中可以看到點(diǎn)0～點(diǎn)4之間溫度差變化較為明顯，且海拔越高，溫度差變化相對越大，但總的絕對值比較小。對于本算例，最大相差約為0.8℃。可以得到不同海拔高度下模塊內(nèi)部溫度變化情況略有差異，但是差異較小。

4.3 熱源熱耗的影響

濾波器功耗仍為2×15W，功率管功耗分別設(shè)為4×50W、4×40W、4×30W、4×20W、4×10W，仿真其溫度如表3所示。

對表3所示的數(shù)據(jù)，相鄰點(diǎn)作差值，得到溫度差的變化曲線（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如圖6所示。

從圖6中可以看出，熱耗越大，內(nèi)部各點(diǎn)溫度差的變化越明顯。對于本算例，模塊熱耗從4×50W變成4×10W，最大估算誤差約為12℃。可以得到不同熱耗下模塊內(nèi)部溫度變化情況差異很大。

表3 不同功耗下模塊內(nèi)部的溫度分布

4.4 小結(jié)

通過上述仿真結(jié)果可以看出，在工程適用的環(huán)境條件下，環(huán)境溫度和氣壓對設(shè)備內(nèi)部各點(diǎn)的溫度差值影響較小。而熱源功耗則對其影響很大。

5 測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證結(jié)論的通用性。本文選用另一電子設(shè)備功放模塊對以上的仿真結(jié)論進(jìn)行了測試驗(yàn)證。在設(shè)備內(nèi)部及外殼總共取了5個(gè)點(diǎn)，控制溫箱溫度分別為40℃，50℃，60℃，并且通過控制設(shè)備的收發(fā)信息速率來控制功率。本文用安捷倫熱電偶溫度測試系統(tǒng)對不同溫度條件和功耗條件下的設(shè)備內(nèi)部溫度進(jìn)行了測試［12］。由于氣壓變化條件下較難測試溫度，本文不做驗(yàn)證。實(shí)測溫度如表4所示。

按順序取溫度差，可以得到溫度差的變化曲線，如圖7。

通過對比40℃［大功率］曲線和50℃［大功率］曲線以及50℃［小功率］曲線和60℃［小功率］曲線，可以看出環(huán)境溫度對設(shè)備內(nèi)部各點(diǎn)間溫差的影響較小；而通過對比50℃［大功率］曲線和50℃［小功率］曲線，可以得到熱源的功耗對其影響較大。這與仿真結(jié)果相吻合。

表4 某功放模塊內(nèi)各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

本文通過Flotherm，對不同環(huán)境條件下設(shè)備內(nèi)部各點(diǎn)溫度的相對關(guān)系進(jìn)行了仿真研究，并且通過實(shí)際測試進(jìn)行了驗(yàn)證。在工程適用的環(huán)境條件下，當(dāng)外部環(huán)境中的溫度和氣壓變化時(shí)，設(shè)備內(nèi)部各點(diǎn)間的溫度差變化很小。當(dāng)熱源功耗變化時(shí)，設(shè)備內(nèi)部各點(diǎn)間的溫度差會(huì)有較大變化，溫度差會(huì)變大。通過以上研究，當(dāng)外部環(huán)境條件變化時(shí)，可以通過殼溫和已知某一環(huán)境條件下設(shè)備內(nèi)部的溫度差，更好地對設(shè)備內(nèi)部的溫度進(jìn)行預(yù)測。

［1］姜磊鵬.基于Flotherm的某電子設(shè)備功放模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.艦船電子對抗，2016（2）：112-114.

［2］劉建林.熱管散熱器散熱性能的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［D］.天津：天津商業(yè)大學(xué)，2009.

［3］周慧敏.電子設(shè)備核心元件熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013.

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

［5］Thomas Hunger，Reinhold Bayerer.功率循環(huán)測試中襯底焊接層的可靠性［J］.大功率變流技術(shù)，2010（4）：1-4.

［6］崔天福，丁曉紅，侯麗園.基于密度法的傳熱結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（6）：548-555.

［7］丁海昕.通用計(jì)算流體力學(xué)軟件框架設(shè)計(jì)［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

［8］楊雄鵬，周曉東，陳長安，等.基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2013，47（3）：54-56.

［9］丘東元，何文志，張波，等.基于Flotherm軟件的電力電子裝置熱分析［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（2）：50-51.

［10］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.

［11］李善武，鄭高飛，陳東，等.對流干燥系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)選用［C］//全國干燥技術(shù)交流會(huì)，2013.

［12］Mark Bally.提高高噪聲環(huán)境中的熱電偶溫度測試精度［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2008（9）：96-96.

Influence of Environment on Distribution of Relative Temperature Inside Module

LIU Guanhong
（No.20 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Xi'an710068）

Sometimes the temperature inside the module is not easy to monitor，if the temperature difference of the module's and the shell's some main point is known，the module's surface temperature can be used to estimate its internal temperature.The ac?tual working environment of the equipment is complicated and changeable.In this paper，a study is made which the relative tempera?ture distribution under other environmental conditions can be inferred from the relative temperature distribution under certain envi?ronmental conditions.This paper takes an electronic device power amplifier module as an example to analyze the influence of differ?ent environmental factors on the temperature difference between the various monitoring points in the module，and uses the profes?sional thermal simulation software Flotherm to analyze the influence of the temperature difference between the monitoring points，and it is verified by the test.

electronic equipment，temperature distribution，F(xiàn)lotherm

TN919

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.030

2017年2月9日，

2017年3月25日

劉冠宏，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：機(jī)械電子工程。