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大功率电子设备结构热设计研究

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大功率电子设备结构热设计研究

王 丽( 中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北石家庄050081)

摘 要: 大功率电子设备发热量大, 其热设计的好坏直接影响系统的可靠性。针对大功率电子设备的热设计问题, 介绍了一种实用的强迫风冷散热设计方法。以某工程大功率功放设备结构热设计为例, 详细阐述了热设计方法的选择以及设计步骤和设计过程, 并采用Icepak 热分析软件对整机设计进行热设计仿真, 给出合理优化的设计结果。经过高低温环境试验和工程实际应用验证, 证明该设计方案有效可行。
关键词 大功率;热设计;强迫风冷;风量;温度
中图分类号 TK124    文献标识码 A    文章编号 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
随着现代电子设备对可靠性要求、性能指标和功率密度等的进一步提高,电子设备的热设计也越来越重要。功率器件是多数电子设备中的关键器件,其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。功率器件尤其是大功率器件发热量大,仅靠封装外壳散热无法满足散热要求。所以需要选择合理的散热和冷却方法,设计有效的散热系统,把电子元器件的温度控制在规定的数值之下,在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道,以确保热量能够顺利地散发出去。
1  实例分析
111  问题描述
某工程大功率功放设备,要求在环境温度55 ℃下工作。根据指标要求,将该设备设计成铝合金钣金机箱。由于空间限制,机箱尺寸定为W ×D ×H = 420 mm ×425 mm ×173 mm。机箱内安装的主要元件如下: ①一个功放模块,耗散热为600 W,可靠工作的基座最高温度不超过87 ℃; ②一个自带散热齿的电源模块,耗散热为100 W,其可靠工作最高温度不超过85 ℃; ③小电源模块、滤波器、隔离器和衰减器各1 个,其工作保护温度均为80 ℃; ④接插件若干。
112  冷却方法选择
电子设备的热设计,首先要从确定设备的冷却方法开始,冷却方法的选择应根据热流密度、温升要求、可靠性要求以及尺寸、重量、经济性和安全性等因素,选择最简单、有效的冷却方法。该设备的总热耗为700 W,拟将其装在420 mm ×425 mm ×173 mm的机箱里,热流密度为01107 8 W/ cm2 ,温升控制在25~32 ℃,根据热流密度和温升要求选择强迫风冷散热。强迫风冷散热工作可靠、易于维修保养、成本相对较低,是一种较好的冷却方法,所以在需要散热的电子设备冷却系统中被广泛采用,同时也是高功率器件采取的主要冷却形式。
113  热设计步骤
对于具有散热器的强迫风冷散热设计比较复杂,以下就这种相对复杂的情况给出基本方法和步骤:
①综合考虑设备结构、风压、成本和散热效率等因素,并结合Icepak 软件仿真结果,确定散热器结构参数;
②由发热量并根据热平衡方程, 初步确定风机;
③利用风机和设计合理的风道对整机进行热设计;
④利用Icepak 软件进行热设计仿真,若最终确定的元器件温度超过了允许值,则还需调整散热器结构参数、重新选择风机并重复上述步骤。最终的设计使机箱内各器件温度控制在允许值以下,并达到散热系统的最优化。
114  建模
该设备的主要发热模块是功放模块和电源模块。如图1 所示,在结构设计时出于电磁屏蔽和隔离热量考虑,将元器件在机箱内分上下2 层安装,电源模块安装在下层紧挨机箱底壁,功放模块和剩余其他模块以及散热器安装在上层,中间用2 mm 隔板隔开,使电源模块不对其他模块产生电磁干扰,同时也使功放模块和电源模块的热量互不影响。将功放模块和滤波器、隔离器等其他一些模块安装在散热器基板上,隔离器、滤波器和衰减器发热量小,耐热性差,故将其安装在冷却气流的入口处,功放模块发热量大,则安装在冷却气流的下游。电源模块自带散热齿,散热齿向上,具有单独的风道系统。该设备的散热设计主要针对功放模块和电源模块进行强迫风冷散热设计。

115  散热器设计
散热器的设计要综合考虑电子设备的结构要求、成本、风压、散热效率和加工工艺等条件。散热器的肋片以薄为宜,但过薄则加工困难。在散热器外形尺寸一定时,肋片间距越小则热阻越小,但间距过小会增大风阻,反而影响散热。增大肋片高度可增大散热面积,也就是可增大散热量。但对于等截面直肋,肋片高度增加到一定程度后,传热量就不再增加了,若再继续增加肋高,则会导致肋片效率急剧下降,并且会增大风阻。
综合考虑上述原则,本方案选用铝材散热器,翅片长度为300 mm。由于主要发热模块是功放模块,其他模块发热很少,可以忽略不计,所以将散热器的肋高设计为不等高。利用Icepak 软件提供的trials功能,将肋片的厚度、肋间距和肋高等参数分别设为变量,然后通过define trials 给该变量赋一系列值,Icepak 将同时计算出厚度、肋间距、肋高为不同值时各种模型的求解结果。通过比较不同求解结果可以确定,功放模块对应部分肋高为50 mm、其余模块对应部分肋高为20 mm、肋厚为2 mm、肋间距为6 mm时达到结构最优。另外,为了减小功放模块和散热器之间的接触热阻,则提高2 个接触面的加工精度,接触面涂覆薄层高导热率导热脂。
116  风机选择
假设散热器设计合理,那么散热器可以将发热量传递到散热空间。所选风机将热量排出设备外,风机的风量应能将全部发热量带走.

117  整机风道设计
风道设计的基本原则如下:
①应尽量增大穿过散热器肋片间的空气流量和流速,以提高散热效果;
②要减少风道风阻,以防止气流的压力损失过大;
③出口风道还应保证热气流能顺利排出。
基于上述原则设计风道,整机的风道及气体流动路径如图3 所示。为提高肋间空气流速,将机箱内散热齿以外的空余部分多用挡风板挡住,使冷却空气尽量通过散热器肋间,但为了减小风阻,增大进入功放模块对应肋片间风量,散热器中间肋高为20 mm的部分不能挡住。为保证气流顺利排出风机,在靠近风机出口处安装导风板。另外为了保证设备电磁兼容性,在通风孔处应安装屏蔽网。
2  热设计仿真
该设备热设计采用热分析软件Icepak 进行了仿真。Icepak 软件是目前较流行的、专业的、面向工程师的电子产品热分析软件之一,利用它可比较真实地模拟系统的热状况,在设计过程中就能预测到各元器件的工作温度值,这样就可纠正不合理的布排,取得良好的布局,从而缩短设计的研制周期,降低成本,提高产品一次成功率。其次,经过若干次的改进设计,可以对电子设备进行有效的热控制,使它在规定的温度极限内工作,从而可以提高电子设备的可靠性。
211  仿真结果
Icepak 仿真结果如下:
风机1 工作点:体积流量为01023 15 m3/ s ,压降为301206 N/ m2 ;
风机2 工作点:体积流量为01024 63 m3/ s ,压降为281769 N/ m2 ;
风机3 工作点:体积流量为01024 55 m3/ s ,压降为281846 N/ m2 。
Icepak 给出的各器件最高温度报告如下:
电源模块66161 ℃;功放模块78185 ℃;散热器基板78185 ℃;小电源68107 ℃;隔板66156 ℃;隔离器64174 ℃;滤波器6617 ℃;衰减器65171 ℃。
通过对仿真结果分析可知:
风机总风量= 01023 15 + 01024 63 + 01024 55 =01072 33 m3/ s > 01061 4 m3/ s 满足机箱风量需求,各风机工作点均位于风机特性曲线的右下部,工作效率较高,说明风机选择合理;各元器件的最高温度都已在指标要求范围内,满足指标要求,说明散热器结构设计合理,否则需要重新进行选择设计。

212  工程验证
按上面的热设计方案进行结构设计,在整机加工调试完成后,按照环境试验要求进行环境试验、高低温存储及高低温工作试验。在高温工作阶段,当温箱内部温度升至+ 55 ℃时,设备工作正常,并通过预埋的温度传感器探测到功放基座温度为+ 7915 ℃,满足功放+ 87 ℃可靠工作的基座最高温度指标要求,该数值和仿真设计数据接近。设备交付用户后,经多次工作实践证明,设备的实际散热能力与热分析相符,满足使用需求。
3  结束语
大功率电子设备的散热设计比较复杂,按照上面给出的这种设计回溯方法,若仿真计算出某一环节选择或设计不合理,可以根据仿真结果,修改某一环节选择或设计的不合理之处,重复设计、计算和仿真过程,最终确定合理的散热系统设计。经过产品的使用验证,用此方法设计的大功率功放设备散热效果好,设备工作性能稳定,满足了广大用户对设备可靠性要求高的条件。实践证明,这里提出的散热设计方法是一种实用有效的热设计方法。

参考文献
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[5 ] 孙一坚. 简明通风设计手册[M] . 北京:中国建筑工业出版社,1997 :5 - 7.
作者简介
王 丽 女, (1971 - ) ,中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师。主要研究方向:电子设备结构设计、热设计等。

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