某型數(shù)字集群基站的散熱設計

張永剛

(廣州海格通信集團股份有限公司，廣東廣州 510663)

數(shù)字集群通信是一種新型移動通信系統(tǒng)，它除了具備公眾移動通信網(GSM、CDMA)所能提供的個人移動通信服務外，還能實現(xiàn)個人與群體間的任意通信，并可進行自主編控，是集對講機、GSM、CDMA和圖像傳輸于一體的智能化通信網。集群基站是通信系統(tǒng)的核心設備，它的可靠性直接決定了數(shù)字集群系統(tǒng)的可靠性。集群基站設備越來越向大容量、大功率、高集成度方向發(fā)展，系統(tǒng)的熱耗密度越來越大，環(huán)境適應性要求越來越高，而體積卻要求越做越小，熱可靠性已經逐漸成為系統(tǒng)可靠性的瓶頸。因此，解決基站設備的通風散熱問題，已經成為了基站結構系統(tǒng)設計中一項重要的課題。

對于熱功率密度很高的通信基站來說，熱設計是系統(tǒng)可靠性設計的重要內容之一，當溫度超過一定值時電子器件的失效率隨著溫度增加按指數(shù)增加，不合理的冷卻是使電子設備可靠性降低的主要原因之一，電子設備的故障20%是由于高溫引起的［1］，完善的熱設計能大大提高設備的可靠性。

1 熱設計仿真技術

針對電子設備熱產生機理與傳播方式，必須對電子設備的熱場分布進行分析研究，采用合理的熱設計方法，保證電子設備在允許的溫度范圍內工作。電子冷卻分析軟件通過模型建立、模型求解和結果解釋三方面將電子產品的熱效應分析放在了設計階段，以期解決如下問題：優(yōu)化電子系統(tǒng)內結構設計參數(shù);對電子系統(tǒng)強迫對流和自然對流冷方案進行優(yōu)化。電子產品熱設計中計算機仿真軟件在界面、精度、可靠性、速度等方面都已成熟。

目前常用的熱仿真軟件具有如下特點：

a．采用非結構化網格，能夠針對復雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結構化網格，有多種網格生成方法，能夠滿足現(xiàn)代電子產品設計中幾何形狀越來越復雜的要求。

b．提供豐富的物理模型，可以模擬自然對流、強迫對流、混合對流、熱傳導、熱輻射、流-固的耦合換熱、層流、湍流、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)等流動現(xiàn)象。

c．利用熱仿真軟件可以模擬真實的溫度場、壓力場，幫助設計師確定合理優(yōu)化的方案，提高設計水平，降低成本，縮短項目研制周期。特別在以流體流動為重點的設計中，更能發(fā)揮出有限體積法的優(yōu)勢。

2 基站的散熱設計與仿真分析

基站整機功耗為820W，其中功放單元功耗700W，電源功耗100W，其他元器件約20W。功放單元的熱設計是整個系統(tǒng)熱設計的重點和難點問題之一?；居呻娫磫卧?、信道單元、功放單元及天饋單元等組成(單元排列順序如圖1所示)。

2.1 功放單元的散熱設計

功放單元的溫度控制主要是控制功率管的結溫。生產廠商一般將器件的最高結溫規(guī)定為90℃ ～150℃?？煽啃匝芯勘砻?，對于使用功率元件的電子設備長期通電會使殼體溫度超過95℃，將導致故障率大大增加。故要求功率管殼體溫度，即散熱器底板溫度(先忽略安裝時的接觸熱阻)應低于95℃，為了提高工作可靠性，還應盡可能地降低功放單元的溫度。

圖1 數(shù)字集群基站結構示意圖

功放單元工作時的發(fā)熱功率共約700W(4個功放管SD56120M)，功率相對較大，因此單靠散熱器自然冷卻不能完全解決其冷卻問題，針對功放單元功耗較大、熱流密度大等問題，可采用氣冷式冷板方式散熱(如圖2所示)，其具有以下特點：(1)采用獨立風道，發(fā)熱器件不與冷卻空氣直接接觸，避免灰塵，潮濕空氣進入單元板內;(2)冷板內部溫度梯度小，熱分布均勻，可帶走機箱內部較大的集中熱負載;(3)具有較大的換熱面積，流體通道的當量直徑較小，換熱系數(shù)較高;(4)冷板裝置的組件簡單，結構緊湊，維修方便;(5)與直接冷卻(浸沒冷卻)相比，冷卻劑的消耗少，同時也便于有效地調節(jié)冷卻劑，以提高其冷卻效率［2］。

圖2 冷板結構示意圖

2.2 整機風道設計

整機散熱采用抽風方式，因整機有防滴雨要求，頂部及機柜前部須設防雨罩和活動門，進風口設置于機柜前側底部，出風口設置于機柜背部功放單元及電源單元尾部(具體如圖3所示)。

2.3 冷卻空氣流量的分配

基站功耗主要分布在功放單元及電源單元，如何分配兩個單元的冷卻氣流分配比例成為散熱問題的關鍵。不同結構模型因確定的功耗分布情況及特定散熱結構存在最佳氣流分配比例，通過熱仿真可以尋找到最佳氣流分配比例，從而達到兼顧功放單元與電源單元的散熱效果。在其他結構參數(shù)不變的情況下，所選風機風量及各單元面板開孔率成為影響氣流分配比例的主要因素。

圖3 整機風道設置示意圖

2.4 仿真分析

在計算求解之前對仿真模型的參數(shù)進行設置。環(huán)境溫度：20℃。網格數(shù)：900 000。湍流模型：標準k-e模型。

標準k-e模型是個半經驗公式，主要是基于湍流動能和擴散率，k方程是精確方程，e方程是由經驗公式導出的方程。標準k-e模型需要求解湍動能及其耗散率方程，湍動能輸運方程是通過精確的方程推導得到，但耗散率方程是通過物理推理、數(shù)學上模擬相似原形方程得到的，是目前工程流場計算中主要的工具，適用范圍廣，比較經濟，有足夠的精度。

本次選取5組不同流量比的結構狀態(tài)進行仿真，綜合考慮兩個單元的溫升情況，或者根據(jù)設定的溫升權重分配選取最佳參數(shù)，結果見表1。

表1 不同流量比的仿真結果對比

由表1可見，當流量比為1∶1．1時，雖然電源單元溫升僅為27．1℃，但功放單元溫升為73．6℃，過多的流量分配到電源單元，使得功放單元的冷卻空氣流量不足;當流量比上升到1∶8．0時，功放單元溫升為70．3℃，但電源單元溫升達62．5℃，雖然通過功放單元的空氣流量大幅提升，但溫升相比第3組只降低了0．5℃，由此可見，當流量超過一定范圍，增大流量對冷板散熱能力提升不大，另一方面通過電源單元的空氣流量不足，其溫升急劇上升。綜合考慮，第3組參數(shù)的綜合散熱效果最優(yōu)，其溫度分布如圖4所示。

圖4 整機溫度分布圖(流量比為1∶2．8)

3 結論

a．針對各單元的功耗及結構特點選擇了合理的散熱方式。

b．根據(jù)基站結構特點合理設計系統(tǒng)風道，通過調整風機風量及面板開孔率可改變空氣流量比例，進一步通過仿真對比找到最優(yōu)的空氣流量比例，以達到最優(yōu)的散熱效果。在散熱設計中應綜合、準確地把握這些結構參數(shù)，利用先進的設計手段和方法找到最優(yōu)結構參數(shù)。

c．針對冷板散熱，由仿真結果可以看出當空氣流量超過一定范圍，增大流量對冷板散熱能力提升不大，在工程設計中應注意這一特點。

［1］ 王錫吉．電子設備可靠性工程［M］．西安：陜西科學技術出版社，1999：50．

［2］ 趙惇殳．電子設備熱控制技術［M］．西安：西安電子科技大學出版社，1992：81-82．