某地面通信設備結構散熱設計

摘 ?要：本文介紹了某地面通信設備結構散熱設計過程，在滿足總體單位提出的結構尺寸需求下，通過對元器件發熱量以及熱量傳播方式的分析，設計出傳導配合自然對流散熱機箱以及強迫風冷機箱兩種方案，并采用ANSYS Icepak軟件進行溫度仿真驗證，通過合理設置環境條件和求解參數，計算出溫度仿真云圖，得到關鍵元器件工作溫度，結果表明兩種機箱方案均滿足散熱需求。

關鍵詞：通信設備;散熱設計;溫度仿真

中圖分類號：TN02;TN802 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0050-04

Abstract：This paper describes the heat dissipation design process for the ground communication equipment. In order to meet the structural size requirements proposed by the general unit，two kinds of conduction schemes combined with the natural convection radiator box and the forced fan box were designed by analyzing the heating and heat transfer modes of the components. Temperature simulation was performed using ANSYS Icepak software. By reasonably setting the environmental conditions and solving the parameters，the temperature simulation cloud is calculated，and the working temperature of key components is obtained. The results show that the two cabinet schemes can meet the heat dissipation requirements.

Keywords：communication equipment;thermal design;temperature simulation

0 ?引 ?言

隨著地面通信設備電路特征尺寸減小以及元器件布局的密集化，單位面積上的產熱量急劇增大，這對結構散熱設計提出更嚴苛需求，為保證設備不產生熱失效而能夠正常運轉，選用合適的冷卻方式與優化結構布局將熱量耗散掉已成為產品研發的重要突破點。

散熱方式包含自然對流、熱輻射、熱傳導三種，在實際產品設計中需要依據產品使用環境及相應的結構設計要求選用合適的散熱方式以降低元器件溫度，地面通信設備常采用自然對流或者強迫對流散熱方式，采用自然對流散熱方式時需要對高熱耗的元器件加裝散熱冷板和導熱墊，擴大散熱面積以減小散熱熱阻;采用強迫風冷時需選用合適的風扇，優化風道與印制板模塊布局以減小風道阻力損失，同時又要兼容電磁兼容性與結構三防性等其他要求。無論采用哪種設計方案，均需要采用仿真計算模擬設備散熱情況，發現散熱薄弱環節，在滿足整體結構設計要求前提下更新結構布局，滿足散熱需求。

1 ?機箱結構要求

地面通信設備總體尺寸按照GB/T3047.4-1986《高度進制為44.45mm的插箱、插件的基本尺寸系列》進行設計[1]，符合標準19英寸2U機箱設計要求，外形尺寸為482.6mm×540mm×88mm，可直接安裝于標準機架內，便于使用和維護。

內部印制板模塊安裝牢固，并便于拆卸維修，印制板關鍵元器件在給定的室內機柜環境中正常工作，合理控制溫升以保證設備整體熱可靠性。

2 ?散熱方式分析

設備放置于室內配有冷卻系統的機柜中，工作環境較為良好，工作溫度控制為0℃～40℃，設計時取環境溫度的上限40℃。設備內部由2塊基帶信號處理板、1塊主控板、1塊中頻信號預處理板、1個射頻信號處理單元及電源等組成。單塊基帶信號處理板熱功耗大約20W，主控板熱功耗大約12W，中頻信號預處理板熱功耗大約20W，射頻信號處理單元熱功耗大約15W，電源效率為85%，即剩余的15%轉化為熱功耗，為15W，主機熱源具體參數見表1所示。

每塊印制板含有不同的元器件，主要發熱器件為FPGA、DSP、AD轉換器，具體熱功耗如表2所示，基帶信號處理板發熱量均勻布置于整個電路板上。

根據表1可以計算出設備總熱功耗：P=102W

設備外形尺寸為：482.6mm×540mm×88mm，機箱區域尺寸為420mm×530mm×88mm，設備在實際使用時要裝入機柜中，若僅采用自然對流及輻射散熱方式，則有效散熱面積為上下蓋板。

箱體的散熱面積：S=2×（42×8.8+53×8.8）=1672cm2

表面熱流密度：Φ=P/S=6.1×10-2W/cm2

設備工作溫度為40℃，印制板發熱器件的最高工作溫度為75℃，整機內部溫升應控制在35℃以下。根據單位傳熱面積的熱流與溫升的關系圖[2]，在溫升35℃以下，同時滿足熱流密度6.1×10-2W/cm2時，可以采用內部冷板傳導配合外部自然對流散熱或者強迫風冷兩種散熱方式。

3 ?傳導配合自然對流機箱設計

采用傳導配合自然對流散熱時，結構設計如圖1所示，在基帶信號處理板及中頻信號預處理板主要發熱芯片上加裝冷板，其中基帶信號處理板位于數字信號處理板下方，在芯片和冷板之間粘貼厚度0.5mm、熱傳導率12W/mk的柔性導熱墊。機箱蓋板上安裝導熱塊，對中頻信號預處理板上主要發熱芯片進行傳導散熱。同時蓋板及側板開散熱槽，增大殼體散熱面積。主要散熱路徑為發熱元器件熱量經過導熱墊傳至冷板，冷板繼續將熱量傳遞到蓋板，最后通過蓋板以自然對流和輻射方式耗散至機柜大環境中。

選擇ANSYS仿真軟件對主機進行熱仿真計算。熱模型的建立：

（1）使用ANSYS Design Modeler將由UG NX7.0導入的機箱模型進行簡化，略去螺釘、螺母圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細節及小插件;

（2）通過ANSYS Workbench平臺將Design Modeler簡化后的模型導入ANSYS Icepak軟件;

（3）按照正確的傳熱路徑，建立系統的熱分析模型，開啟熱輻射模型與對流模型，設置合適的離散方程、求解狀態、計算精度等;

（4）設置機箱殼體與冷板材料為鋁，表面涂鍍發射率0.9，芯片按常規封裝材料設置，PCB材料設為FR-4;

（5）建立印制板導軌鎖緊條與機箱框架的接觸熱阻，建立印制板元器件與冷板凸臺的接觸熱阻，均為0.56℃/W;

（6）環境溫度設為40℃;

（7）設置機箱總功耗為102W，導熱墊熱導率為12W/mk，在ANSYS Icepak中建立合適的網格劃分方案，檢查網格完好性后進行求解。

仿真結果如圖2所示，主機溫度比較高的地方主要分布在中頻信號預處理板的FPGA上以及基帶信號處理板的FPGA上，最高溫度為73.6℃，在芯片工作溫度的范圍內。另外，數字信號處理板中最高的芯片溫度大約為68.0℃;其余模塊溫度均小于65.2℃，滿足印制板最高工作溫度75℃的要求。

4 ?強迫風冷機箱設計

采用強迫風冷散熱時，在機箱前面板上安裝兩個風扇，風扇的流速依據設備發熱量與設備自身風阻確定[3]，在后面板開有通風孔，同時蓋板及側板開散熱槽，增大殼體散熱面積，如圖3所示。采用本方案時熱量主要由冷卻空氣直接耗散到機柜環境中，機箱殼體自然對流與輻射耗散的熱量可忽略不計[4]。

熱仿真模型建立過程與傳導配合自然對流方案相近，參數設置如下：

（1）使用ANSYS Design Modeler將由UG NX7.0導入的機箱模型進行簡化，略去螺釘、螺母圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細節及小插件;

（2）通過ANSYS Workbench平臺將Design Modeler簡化后的模型導入ANSYS Icepak軟件;

（3）按照正確的傳熱路徑，建立系統的熱分析模型，開啟熱輻射模型與強迫對流模型，設置合適的離散方程、求解狀態、計算精度等;

（4）風扇流量30m3/h，冷卻空氣溫度設為20℃，環境溫度按40℃進行計算;

（5）抗干擾板上的芯片和導熱塊之間加入1.5mm厚度導熱墊片，熱導率1.5W/mk，在支架和PCB板，支架和流道之間加入接觸熱阻;

（6）設置機箱殼體材料為鋁，表面涂鍍發射率0.9，芯片按常規封裝材料設置，PCB材料設為FR-4。

仿真結果如圖4所示，主機溫度比較高的地方仍然是基帶信號處理板的FPGA上，大約72.3℃;中頻信號處理版、數字信號板、主控板上元器件溫度均小于65℃，在元器件最高工作溫度75℃的范圍內，滿足工作要求。

5 ?結 ?論

綜上所述，本文從整機工作環境、內部元器件發熱量、散熱路徑等方面綜合分析，設計出兩種符合外形尺寸及散熱需求的結構方案，并通過仿真予以驗證，滿足元器件最高工作溫度要求，達到總體單位提出的技術要求。為進一步改善散熱性能，也可將冷板材料選用為銅以提高熱導率，增大風扇冷卻空氣流量以降低整體溫升，但同時會增加整機重量與功耗，總之需要合理平衡散熱設計與結構設計需求，提升產品綜合性能。

參考文獻：

[1] 周建軍，葛躍進.衛星監測站接收機機箱的結構設計 [J].機械工程師，2007（12）：106-108.

[2] 趙惇殳.電子設備熱設計 [M].北京：電子工業出版社，2009.

[3] 張兆順，崔桂香.流體力學 [M].第2版.北京：清華大學出版社，2006.

[4] 楊世銘.傳熱學基礎 [M].第2版.北京：高等教育出版社，2003.

作者簡介：鄭曉東（1991-），男，漢族，黑龍江海倫人，結構設計師，助理工程師，研究生，研究方向：電子設備結構設計。