某地面電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)

張學(xué)新

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

某地面電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)

張學(xué)新

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

文中結(jié)合設(shè)備實(shí)際，闡述了某地面電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，提出了一種理論分析與軟件仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。通過理論分析與計(jì)算確定機(jī)箱的結(jié)構(gòu)模型，選擇合理的散熱方式，確定散熱布局，并選擇風(fēng)機(jī)。文中還詳細(xì)介紹了利用Icepak軟件對(duì)該散熱方案進(jìn)行建模、環(huán)境參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分和求解等仿真計(jì)算的過程，根據(jù)仿真結(jié)果確認(rèn)設(shè)計(jì)的有效性。這種理論計(jì)算與軟件仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，能明顯提高設(shè)計(jì)效率，是一種有效的設(shè)計(jì)方法，對(duì)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

電子設(shè)備；熱設(shè)計(jì)；仿真分析；Icepak軟件

引 言

隨著電子技術(shù)和制造工藝的飛速發(fā)展，集成電路的體積越來越小，功能越來越強(qiáng)，熱流密度越來越大，散熱問題變得十分突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效問題有55%是因溫度超過規(guī)定值而導(dǎo)致的。隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。為保證電子設(shè)備在相應(yīng)的工作環(huán)境中長(zhǎng)期、穩(wěn)定地工作，熱設(shè)計(jì)是必不可少的重要環(huán)節(jié)[2]，科學(xué)合理的熱設(shè)計(jì)方法變得十分重要。傳統(tǒng)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)方法是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)方案，利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，再通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最后重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較差，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，研發(fā)成本較高[3]。電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)軟件能快速驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)方案，減少后期試驗(yàn)驗(yàn)證的工作量，提高成功率。如果采用理論分析與計(jì)算確定設(shè)計(jì)方案，軟件仿真分析進(jìn)行方案驗(yàn)證，就能夠極大地提高設(shè)計(jì)效率。

1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備的研制要求，綜合考慮功能需求、地理氣候、機(jī)械環(huán)境和使用對(duì)象等各項(xiàng)指標(biāo)，按照通用化、模塊化的設(shè)計(jì)原則，形成結(jié)構(gòu)草案。機(jī)箱基本的外形尺寸為440 mm × 425 mm × 262 mm (不含把手和連接器)，內(nèi)部安裝有13個(gè)功能單元，相對(duì)均勻地分布在機(jī)箱內(nèi)，各功能單元通過無源背板實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)。設(shè)備的總功耗為712 W，熱功耗為352 W。

1.1 熱設(shè)計(jì)分析

該設(shè)備作為交換系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，要求在-10 ℃～45 ℃范圍內(nèi)無間斷工作，因此必須保證其可靠性?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，選用能夠在-10 ℃～85 ℃區(qū)間內(nèi)正常工作的電子元器件，那么設(shè)備的允許溫升為85℃-45℃ = 40 ℃。但若電子元器件長(zhǎng)期工作在高溫狀態(tài)下，其壽命就會(huì)縮短，可靠性就會(huì)降低。因此，熱設(shè)計(jì)就要保證電子元器件的工作環(huán)境不超過85 ℃，通過合理設(shè)計(jì)使其穩(wěn)定工作在較低的溫度范圍內(nèi)。

1.2 冷卻方法的選擇

電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，首先要從確定元器件或設(shè)備的冷卻方法開始[4]。常用的冷卻方法有自然冷卻、強(qiáng)迫冷卻和蒸發(fā)冷卻。冷卻方法的選擇直接影響到元器件或設(shè)備的組裝設(shè)計(jì)、可靠性、質(zhì)量和成本，既要滿足電氣性能要求，又要滿足可靠性指標(biāo)的要求。冷卻方法可以根據(jù)允許溫升和熱流密度的選擇圖來確定，如圖1所示。設(shè)備的熱流密度為352/(2 × 44 × 42.5 + 2 × 44 × 26.2 + 2 × 42.5 × 26.2)= 0.103 W/ cm2。將溫升40 ℃和熱流密度0.103 W/ cm2對(duì)應(yīng)到圖1可得，散熱方式為強(qiáng)迫空氣冷卻。

圖1 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法

1.3 結(jié)構(gòu)布局

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮內(nèi)部空間和強(qiáng)迫空氣冷卻的方式，將設(shè)備設(shè)計(jì)成箱筒式結(jié)構(gòu)，前、后面板可拆卸，箱體由上下左右4塊鋁板焊接成一體，如圖2所示。各功能單元安裝在箱體內(nèi)部的滑軌支架上，在支架下部安裝2個(gè)由軸流風(fēng)機(jī)組成的抽風(fēng)風(fēng)機(jī)組，在前面板下部開設(shè)進(jìn)風(fēng)孔，在后面板上部開設(shè)出風(fēng)孔，安裝由軸流風(fēng)機(jī)組成的排風(fēng)風(fēng)機(jī)組。抽風(fēng)風(fēng)機(jī)組就可以強(qiáng)迫外部空氣進(jìn)入箱體，產(chǎn)生空氣對(duì)流，再由排風(fēng)風(fēng)機(jī)組將熱空氣排出，這樣周而復(fù)始，形成強(qiáng)迫熱交換，確保各功能單元和設(shè)備正常工作。

圖2 結(jié)構(gòu)布局

2 散熱設(shè)計(jì)

通常在強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，輻射和自然對(duì)流散熱量約占總散熱量的10%[4]。設(shè)備采用強(qiáng)迫空氣冷卻，需要冷卻空氣帶走的熱功耗為352 × 90% = 316.8 W。根據(jù)熱平衡方程，計(jì)算空氣流量：

式中：Qf為冷卻空氣流量，m3/s；Φ為發(fā)熱量，W；ρ為空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱，J/(kg·℃)；Δt為冷卻空氣的進(jìn)出口溫差，℃。

設(shè)備的環(huán)境溫度為45 ℃，取進(jìn)出風(fēng)口溫差Δt=10 ℃，定性溫度tf=(45+55)/2=50 ℃，空氣的物性參數(shù)ρ=1.06 kg/m3，cp=1 005 J/(kg·℃)。將參數(shù)代入熱平衡方程計(jì)算可得：

0.029 7 m3/s

由于機(jī)箱體積較大，進(jìn)出風(fēng)口受到電磁兼容等設(shè)計(jì)因素的限制，風(fēng)道受到元器件、結(jié)構(gòu)件的阻擋，風(fēng)機(jī)就會(huì)受到較大風(fēng)阻，因此在選用風(fēng)機(jī)時(shí)，必須保證足夠的余量，初步選定型號(hào)為BP802548HL的風(fēng)機(jī)，其特性曲線如圖3所示，最大風(fēng)量為0.0264m3/s，風(fēng)壓為73.552 5 N/m2。風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)，總風(fēng)量為單個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量之和，風(fēng)壓為單個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)機(jī)特性，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)處于特性曲線中下部的位置，抽風(fēng)風(fēng)機(jī)組擬采用6個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)，排風(fēng)風(fēng)機(jī)組采用5個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)?？紤]到風(fēng)機(jī)的冗余和設(shè)備的可靠性，風(fēng)機(jī)采用智能控制技術(shù)，使其根據(jù)機(jī)箱內(nèi)的溫度來調(diào)整轉(zhuǎn)速，并監(jiān)控工作狀態(tài)。

注：1CFM=4.717e-4 m3/s，1mmH2O=9.807 N/m2圖3 風(fēng)機(jī)特性曲線

2.1 仿真分析

Icepak軟件是專業(yè)的電子產(chǎn)品熱分析軟件，借助它強(qiáng)大的CFD求解器，可以解決各種不同環(huán)境的散熱問題。它擁有豐富的模型庫(kù)，先進(jìn)的網(wǎng)格技術(shù)，具有參數(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，廣泛應(yīng)用在通信、航空航天電子設(shè)備、通用電器及家電等領(lǐng)域。

2.1.1 模型簡(jiǎn)化及建模

利用Icepak軟件對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行仿真分析，就需要簡(jiǎn)化機(jī)箱模型。真實(shí)的機(jī)箱模型中存在著大量的對(duì)仿真結(jié)果影響不大的要素，而這些要素會(huì)極大地影響仿真模型的復(fù)雜程度，影響網(wǎng)格質(zhì)量，增加計(jì)算難度，延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間。

在Icepak環(huán)境中建模時(shí)，首先需要?jiǎng)?chuàng)建Cabinet，設(shè)定位置坐標(biāo)，將6個(gè)面定義為Opening。由于采用了強(qiáng)迫空氣冷卻的散熱方式，為便于建模，設(shè)定計(jì)算域的各方向尺寸均大于設(shè)備模型100 mm，依照如下方式建立仿真模型：

1)利用模型庫(kù)中的blocks建立機(jī)箱、發(fā)熱元器件、無源背板、導(dǎo)軌支架，也可以利用enclosures(腔體)來建立機(jī)箱模型，需要定義6個(gè)面的參數(shù)。

2)利用模型庫(kù)中的grille建立進(jìn)出風(fēng)口、導(dǎo)軌支架通風(fēng)孔，設(shè)置Free area ratio。

3)利用模型庫(kù)中的PCB建立各功能單元的電路板，設(shè)置導(dǎo)體材料為Cu-pure，絕緣材料為FR-4，設(shè)定電路板層數(shù)、銅箔覆蓋率、銅箔厚度。

4)利用模型庫(kù)中的heat sinks建立功能板4～7和9～13上的散熱器，設(shè)定Base height，Overall height，F(xiàn)in geometry等相關(guān)參數(shù)。

5)利用模型庫(kù)中的fans建立風(fēng)機(jī)模型，設(shè)置風(fēng)機(jī)類型為interal，設(shè)定非線性輸入(見圖3所示的風(fēng)機(jī)特性曲線)，具體過程如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置

6)各功能單元相對(duì)獨(dú)立，利用模型庫(kù)中的assemblies創(chuàng)建功能模塊裝配體，按功能單元將模型拖進(jìn)裝配體，設(shè)定網(wǎng)格邊界。仿真模型(見圖5)建立后，進(jìn)行Check model，檢查結(jié)果出現(xiàn)在信息窗口。

圖5 仿真模型

2.1.2 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

仿真模型建立后，需要設(shè)置環(huán)境參數(shù)、物性參數(shù)、功耗參數(shù)。設(shè)置迭代步數(shù)為400，計(jì)算雷諾數(shù)，判定空氣流動(dòng)狀態(tài)為紊流。設(shè)置求解變量為Flow和Temperature，關(guān)閉Radiation，設(shè)置Flow regime為Turbulent，啟用Gravity vector。設(shè)置Ambient Temperature為45 ℃，Default fluid為Air，Default solid為Al-Extruded，Default surface為Al Paint-surface。發(fā)熱元器件的功耗參數(shù)可以在建模時(shí)根據(jù)實(shí)際情況在建模特征的Properties中設(shè)定，也可以參照?qǐng)D6集中設(shè)置。

圖6 熱功耗參數(shù)設(shè)定

2.1.3 網(wǎng)格劃分與計(jì)算

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞關(guān)系到計(jì)算過程是否收斂、計(jì)算精度是否滿足要求，在整個(gè)仿真過程中起到至關(guān)重要的作用。Icepak提供了多種網(wǎng)格，其中Hexa unstructured適用于99%的散熱問題分析，網(wǎng)格的Face alignment應(yīng)大于0.15，Quality應(yīng)大于0.15，Volume應(yīng)大于1e-12。進(jìn)行仿真模型網(wǎng)格劃分時(shí)，設(shè)定網(wǎng)格類型為Hexa unstructured，選定Accept“change value”checks，設(shè)定Mesh parameters為Normal，選定Mesh assemblies separately，其余默認(rèn)，具體網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量

仿真計(jì)算是CFD求解器的解算過程，設(shè)定求解順序Tree — Sort — Meshing priority，按照重新排列的特征樹求解運(yùn)算。經(jīng)過迭代運(yùn)算，x-velocity曲線、y-velocity曲線、z-velocity曲線、continuity曲線殘差達(dá)到1e-3，energy曲線殘差達(dá)到1e-7，計(jì)算收斂，結(jié)果有效，如圖8所示。

圖8 殘差曲線

2.1.4 仿真結(jié)果及分析

設(shè)備的溫度云圖如圖9所示，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在13號(hào)功能單元的電源模塊上，最高溫度為80.51 ℃，低于85 ℃，滿足溫度要求。

圖9 溫度云圖

5個(gè)排風(fēng)風(fēng)機(jī)的流量分別為1.140e-2m3/s、1.164e-2m3/s、1.204e-2m3/s、1.089e-2m3/s、1.170e-2 m3/s、1.249e-2 m3/s，總流量為7.016e-2 m3/s，大于所需空氣流量0.029 7 m3/s。風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)量為1.086e-2 m3/s，風(fēng)壓為34.51 N/m2，工作點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)特性曲線(圖3)中部靠下的位置，滿足設(shè)計(jì)余量要求。因此，選定的風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)組的設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的。

3 測(cè)試驗(yàn)證

將采用該散熱方案的設(shè)備置于國(guó)家認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)溫箱內(nèi)，搭建測(cè)試環(huán)境，外接60個(gè)6 W的話音終端，在13號(hào)功能單元的電源模塊和散熱器之間埋入測(cè)溫儀的熱電偶探頭，在機(jī)箱內(nèi)插入另一個(gè)熱電偶探頭，同時(shí)將控制終端接到設(shè)備的Console接口上，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)。在恒溫45 ℃條件下存儲(chǔ)24 h后，測(cè)溫儀顯示機(jī)箱內(nèi)溫度為45 ℃，確認(rèn)機(jī)箱溫度平衡。設(shè)備開機(jī)后，話音終端兩兩對(duì)通。經(jīng)過4 h的滿功率穩(wěn)定工作后，測(cè)溫儀顯示電源模塊的溫度為77.3 ℃，話音終端視頻流暢、無頓挫感，話音清晰、無雜音，控制終端顯示各項(xiàng)功能正常，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

對(duì)于功率大、可靠性要求高、使用環(huán)境特殊的電子設(shè)備，熱設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇合理的散熱方案，以達(dá)到散熱要求。理論分析與計(jì)算能夠確定散熱方案和空氣流量，軟件仿真能夠消除風(fēng)道當(dāng)量、壓力損失等理論計(jì)算中的簡(jiǎn)化誤差，避免計(jì)算錯(cuò)誤。在仿真分析中，可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：雖然溫度場(chǎng)能夠滿足器件的工作要求，但是風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)過高，在實(shí)際使用中會(huì)影響風(fēng)機(jī)的工作壽命。如果遇到這種情況，需要重新選擇風(fēng)機(jī)并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，既要滿足溫度要求，也要使風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)處于風(fēng)機(jī)曲線中下部位置，也可結(jié)合控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。該熱設(shè)計(jì)證明，理論分析與軟件仿真相結(jié)合的熱設(shè)計(jì)方法，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得推廣。

[1] 陳潔茹，朱敏波，齊穎. Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程，2005,21(1)：14-16.

[2] 李增辰，褚俐. 某密閉電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程，2009，25(4)：7-9.

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[4] 趙惇殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

張學(xué)新(1979-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Thermal Design for Ground Electronic Equipment

ZHANG Xue-xin

(The30thResearchInstituteofCETC,Chengdu610041,China)

The thermal design for ground electronic equipment is described with the equipment status considered and a design method combining theoretical analysis with soft simulation is put forward in this paper. According to theoretical analysis & calculation，the structure model of the chassis as well as thermolysis layout is determined and the reasonable thermolysis method and air fans are chosen. Icepak software is used for the simulation process modeling, environment parameter setting and mesh dividing，which is described in detail in the paper. The design effectiveness is verified based on the simulation result. The combination of analysis calculation and software simulation, as a highly efficient design method, can improve the design efficiency and has reference value in the thermal design of the electronic equipment.

electronic equipment; thermal design; simulation analysis; Icepak software

2014-03-24

V243

A

1008-5300(2014)04-0008-04