固體激光器關鍵電子器件熱設計與分析

摘要：固體激光器種子源等關鍵電子器件集中分布會造成發(fā)熱功率較大，元器件工作溫度上升可高達120 ℃，導致元器件損壞，樣機無法正常工作。為解決這一難題，提出了關鍵電子元器件熱設計的散熱方案，采用散熱器和鼓－抽風強迫風冷模式相結合的散熱方式，優(yōu)化樣機自然散熱和關鍵電子器件強迫風冷的布局，借助ICEPAK參數化輔助計算設計散熱器結構，合理選擇風機型號。優(yōu)化設計后，在自然環(huán)境中對關鍵電子器件進行熱仿真，仿真結果顯示，采用散熱器和強迫風冷散熱方式相結合，元器件最高溫度可有效降低到31℃，滿足元器件使用要求。樣機研制完成后，開展相關測試試驗且均通過。

關鍵詞：電子器件；風冷；熱設計；熱仿真

中圖分類號：TK124 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.009

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0061-07

Abstract：The concentrated distribution of key electronic devices such as solid state laser seed source will cause large heating power，"and the operating temperature of components can rise up as high as 120℃， resulting in damage to components and failure of the prototype to work normally."In order to solve this problem， this paper proposes a heat dissipation scheme for the thermal design of key electronic components. Specifically， a heat dissipation mode is adopted with combination of a heat sink and forced air cooling mode."The layout of natural heat dissipation and forced air cooling of key electronic components is optimized."ICEPAK parametric assisted"calculation is used to design the heat sink structure and the model of fan is selected. After the optimization design， the thermal simulation of the key electronic components is carried out in the natural environment."The simulation results show that the maximum temperature of the components can be effectively reduced to 31℃"by using the combination of the heat sink and forced air cooling method， which meets the operating requirements of the components."After the prototype is developed， relevant tests are carried out and all have passed.

Key words：electronic equipment；air cooling；thermal design；thermal simulation

近年來，隨著電子技術的發(fā)展，特別是半導體器件的出現(xiàn)，電子設備逐漸向小型化和集成化的趨勢發(fā)展，這使得電子元器件和設備的組裝密度迅速提高，其表面熱流密度成倍地增加[1-2]。研究表明，55%的電子設備失效主要原因是溫度超過規(guī)定值造成的，溫度每升高10 ℃，其可靠性降低50%[3-4]。因此，為保證電子設備的穩(wěn)定性和可靠性，必須進行合理的熱設計[5-6]。針對電子設備熱設計，Sultan[7]提出風機采用抽風的模式來避免箱體中流動的空氣形成渦流。Wang[8]提出在設備機箱上增設風機和通風孔的方式來增強系統(tǒng)的散熱能力。陳賀等[9]通過試驗和數值計算結合，優(yōu)化了箱體結構，提高了設備可靠性。劉漢濤等[10]利用現(xiàn)代計算機輔助熱設計和數值模擬熱分析技術，采用熱管對器件進行熱傳輸，取得較好的散熱效果。

目前，針對散熱方式的選擇、箱體結構散熱優(yōu)化、數值模擬散熱等研究較多，但對高度密集的電子元器件散熱、散熱器參數計算、風機選型等研究較少。同時，高度密集的電子元器件產生的高溫集聚已成為影響設備長期正常運行和穩(wěn)定性的關鍵共性問題。針對上述難題，為確保電子元器件產生的高熱量能快速散發(fā)，需設計合理的結構散熱方案，保證設備可靠運行。為此，筆者以某固體激光器結構熱設計為研究對象，計算樣機表面熱流密度和體積功率密度，確定整機散熱方式；針對關鍵電子器件集中區(qū)域進行詳細熱設計，采用散熱器和風機鼓－抽風強迫風冷模式相結合的散熱方式，并結合數值仿真和樣機試驗驗證，最終驗證了該結構熱設計方式的有效性和合理性，為后續(xù)樣機的量產提供重要數據支撐。

1 熱結構設計

1.1 系統(tǒng)組成及結構設計

該激光器主要由高重頻激光系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、機箱和其他結構件組成。該設備采用箱式結構設計，分為上下兩個腔，其中一個腔用于安裝LD驅動單元、AC/DC模塊和控制單元，另一個腔用于安裝光纖激光器種子光源和散熱單元。二次電源安裝在側壁，依靠自身的風冷方式散熱，上下蓋板通過螺釘與箱體連接構成一個封閉主體。散熱系統(tǒng)采用散熱器和風道內部前后兩個鼓-抽風機組合模式。設備系統(tǒng)構成如圖1所示，整個箱式結構采用導熱系數較好的6061鋁合金加工而成，表面加工凹槽，進一步增加散熱面積。

1.2 熱設計

該激光器要求在常溫狀態(tài)下能持續(xù)正常工作（工作的環(huán)境溫度為+5～+30 ℃），并且需要實現(xiàn)高重頻激光輸出，輸出功率≥5 W（@重頻200 kHz），脈沖寬度≤20 ns。

當激光器在正常工作時，內部電子元器件會產生大量的熱，這些熱如果不能及時排除，熱量會在箱內大量堆積，將會超過電子元器件的許用溫度，影響設備的可靠性和壽命。

表1是該激光器設備中主要電子元器件的熱設計參數。激光器設備總熱功耗111 W，機箱內部總熱功耗為76 W。AC/DC模塊安裝在激光器設備側面，模塊自身帶有散熱風機，可將產生的廢熱及時排出，但同時也會通過箱壁將熱量傳導至箱內，其余功耗模塊均安裝在設備內部。由于元器件功耗值不同，分布在不同區(qū)域，使得激光器設備內部的熱流密度存在差異。熱流密度集中區(qū)域在LD安裝區(qū)域，因其安裝位置的限制，排列比較集中，內部空氣流動受阻易形成熱流停滯現(xiàn)象。為了使整個激光器能正常持續(xù)且高效的運行，因此合理的結構熱設計是非常重要的。

2 熱計算

熱傳遞的方式主要有熱傳導、熱對流和熱輻射三種。在熱計算時，先分析整個設備的結構設計特點，綜合考慮設備的整體空間后開展合理布局；計算設備發(fā)熱量，熱流密度和體積功率密度，選擇合適的冷卻方式，確保設備能正常高效的工作。圖2是開展熱設計的流程圖。

2.1 冷卻方式選擇

電子產品冷卻方式主要有：自然冷卻、強迫風冷、強制液冷和其他散熱方式。

根據GJB/Z 27－1992[11]電子設備可靠性熱設計手冊，其功率密度計算公式為：

式中：為功率密度；為熱流密度；Q為總功耗；V為體積；A為設備的表面積。

設備安裝在某平臺上，另一側面安裝有其他設備，故這兩個面均不計算在表面積之內。根據表1主要元器件功耗，（后面計算值的總功耗來源于表1）計算可得＝0.004 W/cm3， ＝0.027 W/cm2，根據圖3溫升和熱流密度關系[11]，結合部分電子元器件允許的最高溫升，確定整個設備采用自然散熱的冷卻方式。

由于LD驅動單元與LD1和LD2排列比較集中，對該部分的熱流密度進行計算，其值為0.11 W/cm3，當熱流密度在0.08～0.3 W/cm3，其冷卻方式應選擇強迫風冷[12]，為解決這部分熱流密度集中問題，本文將以這塊為主要研究對象，開展詳細的熱設計。

2.2 風機的選型

根據整機最高工作溫度指標，選擇工作溫度為30 ℃（這里的30"℃為整機在正常工作時所處的外部環(huán)境溫度），進出口溫差Δt＝10 ℃，定性溫度（流體的溫度）Tf＝35"℃[13]。表2為空氣在35 ℃的特性參數[13]。

根據熱平衡方程可得所需風量為[13]：

式中：為風量；φ為總功耗；ρ為氣密度；為空氣比定壓熱容；為冷卻空氣進出口溫差。

經計算＝0.0031"m3/s。

風扇壓力計算為[11]：

式中：P為風扇壓力；f為摩擦系數，與壁表面摩擦系數有關，光滑的鋁通道f＝0.03；為當量直徑；l為流道長度；ζ為動壓損失系數，ζ＝3；H為通風截面的長；S為通風截面的寬。

經計算，設備散熱所需參數為P＝108 Pa，"＝0.0031"m3/s，在風扇選型時，確保設備在特殊環(huán)境能正常運行，需考慮一定的富余量，按照計算值的1.5倍考慮。結合風扇安裝位置，采用鼓－抽風組合強迫風冷，選擇SUNON公司的軸流風機，型號為PF40281B2-000C-A99，最大風壓為275 Pa，最大風量為0.0084"m3/s，風機尺寸為40 mm×40 mm×28 mm，圖4是所選風機工作特性曲線。

2.3 散熱器結構設計

散熱器設計需考慮加工工藝簡單、重量輕、熱阻小和換熱效率高等情況，故選擇矩形散熱器翅片。在安裝過程當中，保證散熱翅片垂直水平面，并且翅片的方向和風機氣流相同，增加了強迫對流換熱面積，也提高散熱效果。

散熱翅的厚度和翅高影響空氣湍流狀態(tài)，進而影響散熱效果。工程中，散熱翅片起到有效的散熱效果的條件是滿足畢渥數Bi≤0.25；實際應用中，對于矩形直翅，長而薄的翅片，翅片末端可以看作絕熱端面，實際散熱量與翅高關系可表示為[14]：

式中：Q為實際散熱量；A為翅片橫截面積；T0為翅片基部溫度；Tf為流體溫度；h為翅高；m為與換熱系數相關的常量，可查表取值；通常以mh為橫坐標繪制翅片的效率曲線（用th（mh）/mh來表示翅片的散熱效率）。

通過式（8）可得翅片散熱量與翅高之間的關系如圖5所示。

翅片間距與翅片數量成負相關，影響空氣擾動和湍流強度，初步設定翅片間距設為2 mm，綜合考慮關鍵器件的安裝條件，基板厚度設為5 mm。借助ICEPAK對散熱器進行參數化輔助計算，以關鍵器件處溫度控制在35 ℃以下為設計目標，以間距、翅數目為參數計算變量，結合實際安裝空間，計算所得散熱器各具體參數如表3所示。

3 熱仿真

3.1 散熱器數值計算

為縮短仿真計算時間，提高數值分析結果的準確性，采取對設備發(fā)熱模塊集中區(qū)域進行數值計算。本文熱量集中區(qū)域在安裝LD模塊處，發(fā)熱器件采用熱源代替，采用強迫風冷散熱方式，整個設備的工作環(huán)境為常溫工作。

圖6是主要熱源和散熱器簡化的三維模型。采用ICEPAK軟件在常溫工況下進行仿真，其主要功耗熱源LD用面熱源代替，非功耗元件全部省略，整個散熱器材料采用導熱系數好的6063鋁，其導熱系數為201 W/（m·K）。

完成邊界條件設置，網格劃分，在ICEPAK中采用FLUENT計算流體力學（CFD）求解引擎，它應用的是有限體積法，對結構化和非結構化網格都能快速求解。

3.2 結果分析

在迭代過求解程中，通過求解監(jiān)視器，可以詳細觀察到求解過程中的步驟和收斂情況，圖7是求解過程中參數殘差收斂曲線，參數均收斂。

在常溫環(huán)境工況下，數值仿真計算得到散熱器在不加風扇（自然散熱）條件下的溫度分布如圖8所示。可以看到，最低溫度為104.5 ℃，最高溫度可達119.8 ℃，均超過了相應模塊能承受最高極限溫度，需進一步采用強迫風冷散熱優(yōu)化設計。

在同等條件下，對散熱器采用強迫風冷的散熱優(yōu)化設計，模擬其散熱情況。圖9是在散熱器的風道端面加上風扇、采用鼓風設計后得到的溫度分布圖。明顯看到，換熱器模塊最高溫度降至30.8 ℃，滿足模塊允許得最高溫度。

圖10是整個散熱器的流場跡線圖，圖11是Y方向的速度矢量圖。流場和溫度場在熱分析中是緊密相連的，對流場的分析有助于了解系統(tǒng)與各部件之間具體散熱環(huán)境。本文僅針對熱量過于集中的區(qū)域展開數值計算與分析。在設備結構中，風扇安裝在箱體的左側，從圖10可以看到，風扇將環(huán)境中大量的冷空氣通過固定風道帶入到散熱器中，冷空氣吸收散熱翅壁面上傳導過來的熱量，并將其帶出設備內部；風扇在整個散熱過程中對空氣起到強化對流換熱作用。從圖11可以看到，在風扇作用下，空氣進入到散熱器內部，由于空氣流通截面積變小，空氣流速變快；在散熱器內部設置有多個均壓腔，不但可避免散熱器內壓差過大，而且還可以增加空氣擾動層度，提高散熱器的換熱能力。

4 測試驗證

對研制成功的工程樣機需要對其工作性能進行試驗測試，如圖12所示。測試方法：將工程樣機放置在室溫環(huán)境下，對整個樣機中的各個模塊進行滿功耗測試，測試發(fā)射出的激光峰值功率和樣機內部各關鍵位置溫控點的溫度。

為便于安裝和測量關鍵元器件位置的溫度，選擇帶安裝孔的K型熱敏電阻，分辨率為0.1 ℃，測溫范圍-30～125 ℃，測溫點安裝位置如圖（6）所示。散熱器關鍵元器件位置溫度實測值與仿真值對比如表4所示。

試驗結果表明，當樣機峰值功率達到指標要求后，各關鍵元器件溫度控制在允許最高溫度范圍內，且實測值與仿真值誤差控制在5%以內，散熱器各參數設計滿足要求，設備運行正常，樣機結構滿足熱設計要求。

5 結論

首先對某激光器熱源分布及技術要求進行了系統(tǒng)分析，接著計算并設計散熱方案，從而提高熱設計效率。針對高熱流密度區(qū)域的電子器件，采取散熱器和鼓－抽風強迫風冷模式相結合的散熱方式，參數化優(yōu)化了散熱器和在整機中的結構布局；通過熱仿真計算，結果表明該散熱方案可有效降低關鍵器件工作的溫度，最高降幅可達74.2%。最后通過測試實驗，其實測值與仿真值誤差在5%以內，驗證了該熱設計方案的合理性和有效性。本文提供的熱設計方案提高了產品的可靠性，縮短了產品研制周期，可為后續(xù)相關產品的研制提供技術支撐。

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