典型的密封式電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)研究。

白秀茹(信息產(chǎn)業(yè)部電子第五十四研究所，河北石家莊)

摘要：通過對一種典型的密封機(jī)箱在嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用時(shí)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，闡述了結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)思想及一些具體散熱結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)用較先進(jìn)的熱分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證與優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：熱設(shè)計(jì)；密封機(jī)箱；導(dǎo)熱板

中圖分類號：TGI56 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1OO8—5300(2002)04-0036-03
Therm al Design for a Typical Sealed Electronic Equipment Cabinet Bai Xiuru
(The 54th Research Institute of Electronics in M II，Shijiazhuang 050002，China)
Abstract：Through design practice of a typical sealed cabinent used under harsh environmental conditions，the design ideas and several specific cooling methods in structure thermal design are described．M eanwhile，verification and optim ization by applying advanced thermal modeling software were carried out．
Key Words：Thermal design；Sealed cabinet；Heat conducting plate
熱設(shè)計(jì)在無線電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有重要地位，實(shí)踐表明，電子元件的故障率隨元件溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系而增加，電子設(shè)備線路的性能則與溫度的變化成反比。對于環(huán)境條件較為苛刻情況下的熱設(shè)計(jì)更需精心分析與計(jì)算。這里，就某工程用密封機(jī)箱的設(shè)計(jì)與同行共榷。
電子設(shè)備的冷卻方法取決于設(shè)備總的熱損耗及其集中程度、元件(或設(shè)備)的允許溫度以及元件(或設(shè)備)的環(huán)境溫度等。選擇合適的冷卻方法需視具體情況而定。某設(shè)備應(yīng)用環(huán)境較為苛刻，屬背負(fù)攜行、野外工作無人職守設(shè)備。要求小型化、重量輕、防雨、抗高低溫、耐濕熱、高強(qiáng)度。以下為某設(shè)備技術(shù)指標(biāo)摘錄：
工作溫度：一25℃ ～+55℃
振 動(dòng)：正弦波5～5 5～5 Hz，加速度幅值1．5g
顛 振：15g
濕 度：95±3 0A(環(huán)境溫度：30℃±2℃ )
重 量<25kg
分析以上指標(biāo)，該設(shè)備為長期工作環(huán)境濕度過大的野外設(shè)備，這就決定了本機(jī)箱為全密封機(jī)箱。而箱內(nèi)有電源、CPU 等高熱器件，故此機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)成為設(shè)備能否正常工作的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)論證過程中首先否定了機(jī)箱外安裝風(fēng)扇的方案，雖然強(qiáng)迫風(fēng)冷可較迅速帶走機(jī)殼表面熱量，但安裝風(fēng)扇必將提高電源輸出功率、增加了熱耗，更主要原因是高熱、高濕環(huán)境無法保證風(fēng)扇正常工作。由此可設(shè)定本機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)以傳導(dǎo)散熱為主。
從此人手，可確定各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：
· PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)。在完成功能前提下，元器件布局合理，利于耗散熱均勻散出，并利于采取結(jié)構(gòu)散熱措施。
· 導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)。一端與發(fā)熱器件緊密接觸，另一端與機(jī)箱壁緊密接觸。實(shí)現(xiàn)兩級傳導(dǎo)散熱：發(fā)熱元件一導(dǎo)熱板一箱壁。
· 機(jī)箱外殼散熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì) http://www.aji87.cn

1 PCB板設(shè)計(jì)
線路設(shè)計(jì)人員按照第一條原則進(jìn)行PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先選擇耐高溫性能較好的工業(yè)級以上器件。為便于結(jié)構(gòu)上采取散熱措施，關(guān)鍵在于元器件布局整齊，成行排列。中心布設(shè)熱損耗小器件，外圍布設(shè)熱損耗相對較大器件。多采用雙列直插器件。
有些器件是TGA、PLCC封裝形式，四面管腳，不能采用圖1所示底部貼緊散熱形式。如CPU 是主要的散熱元件，必須采用有效地散熱措施。這時(shí)可在導(dǎo)熱板上開方孔讓出器件，在器件頂面壓一塊小導(dǎo)熱板，小導(dǎo)熱板再將熱量導(dǎo)向PCB導(dǎo)熱板。為使器件與小導(dǎo)熱板、小導(dǎo)熱板與PCB導(dǎo)熱板之間接觸良好，提高導(dǎo)熱效率，在接觸面上應(yīng)涂絕緣導(dǎo)熱脂或墊一層絕緣導(dǎo)熱橡膠板。采取以上措施可保證PCB導(dǎo)熱板與器件端的緊密接觸。
為使另一端導(dǎo)熱板與機(jī)箱壁緊密接觸，PCB導(dǎo)熱板與機(jī)箱壁之間的連接采用楔形壓緊機(jī)構(gòu)，如圖2所示。
這種結(jié)構(gòu)形式適用于散熱器件較集中，熱耗散功率較大的PCB板。對于本設(shè)備因有重量輕的要求，而紫銅板密度較大，故對熱耗散功率較小的PCB板可對個(gè)別器件進(jìn)行局部導(dǎo)熱。形式與CPU散熱類似。
做好這一點(diǎn)即為總體熱設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

2 導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)
導(dǎo)熱板選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的紫銅板。一般芯片管腳處發(fā)熱較大，對于排列整齊的雙列直插器件，可將器件管腳穿過導(dǎo)熱板，而器件底面緊貼在附有絕緣膜的導(dǎo)熱板表面。示意圖如圖l所示。
設(shè)備中還用到幾塊電源模塊，在箱壁無開孔、導(dǎo)軌槽等結(jié)構(gòu)的平面處，充分利用機(jī)箱壁，將電源模塊與箱壁貼緊安裝，這樣一方面導(dǎo)熱面積大，減少中間導(dǎo)熱環(huán)節(jié)，可有效減小熱阻，提高散熱效率，還能充分利用空間，減小機(jī)箱體積。

3 機(jī)箱外殼散熱設(shè)計(jì)
機(jī)箱內(nèi)的熱量是通過機(jī)箱壁與外界進(jìn)行熱交換的，為使熱量盡量多的散到空氣中，只能通過增大散熱面積來實(shí)現(xiàn)。故在四側(cè)壁均加工成板翅散熱器形狀，同時(shí)兼顧重量不得超重。

4 熱分析
整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)完成后，用FLOTHERM 熱分析軟件對該設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證。首先建立設(shè)備模型，問題描述如下：
(1) 密封鋁制機(jī)箱外形尺寸：432mm ×276m m × 242mm ；
(2) 內(nèi)部安裝9塊PCB板，4塊電源模塊。熱耗散功率設(shè)置如圖3所示；
(3) 最大發(fā)熱器件耗散功率為5w (位于PCB5上)；
(4) 器件最大允許溫度為85℃ ；
(5) 工作環(huán)境溫度為55℃ 。

根據(jù)以上要素進(jìn)行建模：
(1) 機(jī)箱內(nèi)部以傳導(dǎo)散熱為主，機(jī)箱外同時(shí)考慮對流與輻射兩種熱傳導(dǎo)方式，其中環(huán)境輻射溫度設(shè)為55℃ 。
(2) 關(guān)鍵板(如PCB3、PCB4)進(jìn)行芯片級建模，其余板進(jìn)行板級建模；
(3) PCB3采用管腳導(dǎo)熱和個(gè)別器件表面導(dǎo)熱兩種方式，PCB4采用器件表面導(dǎo)熱方式，電源模塊底面貼壁散熱。
通過計(jì)算，得到較理想的溫度分布云圖，如圖4所示，對關(guān)鍵器件進(jìn)行模擬監(jiān)測，該器件的溫度收斂圖也較理想。以PCB3為例，耗散功率最大的器件(5w、TGA 封裝)溫度(器件內(nèi)部溫度，下同)控制在85℃以下，其它器件均在82℃ 以下。這說明采取的散熱手段有效，可達(dá)到使用要求。

軟件模擬過程中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱板材質(zhì)、厚度、接觸面積對器件散熱有明顯影響，優(yōu)化導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)可明顯降低器件溫度。
分析軟件作為輔助設(shè)計(jì)手段可用來驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，同時(shí)當(dāng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)還可提供相應(yīng)的優(yōu)化措施。
參考文獻(xiàn)
1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理．江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，19812 便攜式密閉箱體的自然對流散熱分析．Flomerics技術(shù)支持
作者簡介：白秀茹，女，工程師，1991年至今一直從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，參與或主管過的課題涉及情報(bào)處理設(shè)備、電子偵察對抗設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備等。
熱設(shè)計(jì) http://www.aji87.cn

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