大功率電子設備結構熱設計研究
王 麗( 中國電子科技集團公司第五十四研究所, 河北石家莊050081)
摘 要: 大功率電子設備發熱量大, 其熱設計的好壞直接影響系統的可靠性。針對大功率電子設備的熱設計問題, 介紹了一種實用的強迫風冷散熱設計方法。以某工程大功率功放設備結構熱設計為例, 詳細闡述了熱設計方法的選擇以及設計步驟和設計過程, 并采用Icepak 熱分析軟件對整機設計進行熱設計仿真, 給出合理優化的設計結果。經過高低溫環境試驗和工程實際應用驗證, 證明該設計方案有效可行。
關鍵詞 大功率;熱設計;強迫風冷;風量;溫度
中圖分類號 TK124 文獻標識碼 A 文章編號 1003 - 3106 (2009) 01 - 0061 - 04
Research on Thermal Design of High power Electronic Equipment WANGLi
( The 54 th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081 , China)
Abstract High2power electronic equipments radiate a great deal heat in work and their functional modes affect directly the reliability of the whole machine. This paper introduces a practical thermal design method of forced air cooling aiming at the thermal design problem of high power electronic equipments. The design method is discussed in detail with an example of thermal design for high power amplifier in a certain project.Advanced thermal modeling software Icepak was used to simulate the project ,it presented an optimal design result. The design scheme is proven feasible by high2low temperature condition test and practical applications.
Key words high power ;thermal design ;forced air cooling ;wind flux ;temperature
0 引言
隨著現代電子設備對可靠性要求、性能指標和功率密度等的進一步提高,電子設備的熱設計也越來越重要。功率器件是多數電子設備中的關鍵器件,其工作狀態的好壞直接影響整機可靠性。功率器件尤其是大功率器件發熱量大,僅靠封裝外殼散熱無法滿足散熱要求。所以需要選擇合理的散熱和冷卻方法,設計有效的散熱系統,把電子元器件的溫度控制在規定的數值之下,在熱源至外部環境之間提供一條低熱阻通道,以確保熱量能夠順利地散發出去。
1 實例分析
111 問題描述
某工程大功率功放設備,要求在環境溫度55 ℃下工作。根據指標要求,將該設備設計成鋁合金鈑金機箱。由于空間限制,機箱尺寸定為W ×D ×H = 420 mm ×425 mm ×173 mm。機箱內安裝的主要元件如下: ①一個功放模塊,耗散熱為600 W,可靠工作的基座最高溫度不超過87 ℃; ②一個自帶散熱齒的電源模塊,耗散熱為100 W,其可靠工作最高溫度不超過85 ℃; ③小電源模塊、濾波器、隔離器和衰減器各1 個,其工作保護溫度均為80 ℃; ④接插件若干。
112 冷卻方法選擇
電子設備的熱設計,首先要從確定設備的冷卻方法開始,冷卻方法的選擇應根據熱流密度、溫升要求、可靠性要求以及尺寸、重量、經濟性和安全性等因素,選擇最簡單、有效的冷卻方法。該設備的總熱耗為700 W,擬將其裝在420 mm ×425 mm ×173 mm的機箱里,熱流密度為01107 8 W/ cm2 ,溫升控制在25～32 ℃,根據熱流密度和溫升要求選擇強迫風冷散熱。強迫風冷散熱工作可靠、易于維修保養、成本相對較低,是一種較好的冷卻方法,所以在需要散熱的電子設備冷卻系統中被廣泛采用,同時也是高功率器件采取的主要冷卻形式。
113 熱設計步驟
對于具有散熱器的強迫風冷散熱設計比較復雜,以下就這種相對復雜的情況給出基本方法和步驟:
①綜合考慮設備結構、風壓、成本和散熱效率等因素,并結合Icepak 軟件仿真結果,確定散熱器結構參數;
②由發熱量并根據熱平衡方程, 初步確定風機;
③利用風機和設計合理的風道對整機進行熱設計;
④利用Icepak 軟件進行熱設計仿真,若最終確定的元器件溫度超過了允許值,則還需調整散熱器結構參數、重新選擇風機并重復上述步驟。最終的設計使機箱內各器件溫度控制在允許值以下,并達到散熱系統的最優化。
114 建模
該設備的主要發熱模塊是功放模塊和電源模塊。如圖1 所示,在結構設計時出于電磁屏蔽和隔離熱量考慮,將元器件在機箱內分上下2 層安裝,電源模塊安裝在下層緊挨機箱底壁,功放模塊和剩余其他模塊以及散熱器安裝在上層,中間用2 mm 隔板隔開,使電源模塊不對其他模塊產生電磁干擾,同時也使功放模塊和電源模塊的熱量互不影響。將功放模塊和濾波器、隔離器等其他一些模塊安裝在散熱器基板上,隔離器、濾波器和衰減器發熱量小,耐熱性差,故將其安裝在冷卻氣流的入口處,功放模塊發熱量大,則安裝在冷卻氣流的下游。電源模塊自帶散熱齒,散熱齒向上,具有單獨的風道系統。該設備的散熱設計主要針對功放模塊和電源模塊進行強迫風冷散熱設計。
115 散熱器設計
散熱器的設計要綜合考慮電子設備的結構要求、成本、風壓、散熱效率和加工工藝等條件。散熱器的肋片以薄為宜,但過薄則加工困難。在散熱器外形尺寸一定時,肋片間距越小則熱阻越小,但間距過小會增大風阻,反而影響散熱。增大肋片高度可增大散熱面積,也就是可增大散熱量。但對于等截面直肋,肋片高度增加到一定程度后,傳熱量就不再增加了,若再繼續增加肋高,則會導致肋片效率急劇下降,并且會增大風阻。
綜合考慮上述原則,本方案選用鋁材散熱器,翅片長度為300 mm。由于主要發熱模塊是功放模塊,其他模塊發熱很少,可以忽略不計,所以將散熱器的肋高設計為不等高。利用Icepak 軟件提供的trials功能,將肋片的厚度、肋間距和肋高等參數分別設為變量,然后通過define trials 給該變量賦一系列值,Icepak 將同時計算出厚度、肋間距、肋高為不同值時各種模型的求解結果。通過比較不同求解結果可以確定,功放模塊對應部分肋高為50 mm、其余模塊對應部分肋高為20 mm、肋厚為2 mm、肋間距為6 mm時達到結構最優。另外,為了減小功放模塊和散熱器之間的接觸熱阻,則提高2 個接觸面的加工精度,接觸面涂覆薄層高導熱率導熱脂。
116 風機選擇
假設散熱器設計合理,那么散熱器可以將發熱量傳遞到散熱空間。所選風機將熱量排出設備外,風機的風量應能將全部發熱量帶走.
117 整機風道設計
風道設計的基本原則如下:
①應盡量增大穿過散熱器肋片間的空氣流量和流速,以提高散熱效果;
②要減少風道風阻,以防止氣流的壓力損失過大;
③出口風道還應保證熱氣流能順利排出。
基于上述原則設計風道,整機的風道及氣體流動路徑如圖3 所示。為提高肋間空氣流速,將機箱內散熱齒以外的空余部分多用擋風板擋住,使冷卻空氣盡量通過散熱器肋間,但為了減小風阻,增大進入功放模塊對應肋片間風量,散熱器中間肋高為20 mm的部分不能擋住。為保證氣流順利排出風機,在靠近風機出口處安裝導風板。另外為了保證設備電磁兼容性,在通風孔處應安裝屏蔽網。
2 熱設計仿真
該設備熱設計采用熱分析軟件Icepak 進行了仿真。Icepak 軟件是目前較流行的、專業的、面向工程師的電子產品熱分析軟件之一,利用它可比較真實地模擬系統的熱狀況,在設計過程中就能預測到各元器件的工作溫度值,這樣就可糾正不合理的布排,取得良好的布局,從而縮短設計的研制周期,降低成本,提高產品一次成功率。其次,經過若干次的改進設計,可以對電子設備進行有效的熱控制,使它在規定的溫度極限內工作,從而可以提高電子設備的可靠性。
211 仿真結果
Icepak 仿真結果如下:
風機1 工作點:體積流量為01023 15 m3/ s ,壓降為301206 N/ m2 ;
風機2 工作點:體積流量為01024 63 m3/ s ,壓降為281769 N/ m2 ;
風機3 工作點:體積流量為01024 55 m3/ s ,壓降為281846 N/ m2 。
Icepak 給出的各器件最高溫度報告如下:
電源模塊66161 ℃;功放模塊78185 ℃;散熱器基板78185 ℃;小電源68107 ℃;隔板66156 ℃;隔離器64174 ℃;濾波器6617 ℃;衰減器65171 ℃。
通過對仿真結果分析可知:
風機總風量= 01023 15 + 01024 63 + 01024 55 =01072 33 m3/ s > 01061 4 m3/ s 滿足機箱風量需求,各風機工作點均位于風機特性曲線的右下部,工作效率較高,說明風機選擇合理;各元器件的最高溫度都已在指標要求范圍內,滿足指標要求,說明散熱器結構設計合理,否則需要重新進行選擇設計。
212 工程驗證
按上面的熱設計方案進行結構設計,在整機加工調試完成后,按照環境試驗要求進行環境試驗、高低溫存儲及高低溫工作試驗。在高溫工作階段,當溫箱內部溫度升至+ 55 ℃時,設備工作正常,并通過預埋的溫度傳感器探測到功放基座溫度為+ 7915 ℃,滿足功放+ 87 ℃可靠工作的基座最高溫度指標要求,該數值和仿真設計數據接近。設備交付用戶后,經多次工作實踐證明,設備的實際散熱能力與熱分析相符,滿足使用需求。
3 結束語
大功率電子設備的散熱設計比較復雜,按照上面給出的這種設計回溯方法,若仿真計算出某一環節選擇或設計不合理,可以根據仿真結果,修改某一環節選擇或設計的不合理之處,重復設計、計算和仿真過程,最終確定合理的散熱系統設計。經過產品的使用驗證,用此方法設計的大功率功放設備散熱效果好,設備工作性能穩定,滿足了廣大用戶對設備可靠性要求高的條件。實踐證明,這里提出的散熱設計方法是一種實用有效的熱設計方法。
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作者簡介
王 麗 女, (1971 - ) ,中國電子科技集團公司第五十四研究所工程師。主要研究方向:電子設備結構設計、熱設計等。
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