基于Flotherm的某機載設(shè)備電源模塊散熱設(shè)計

【摘要】應(yīng)用專業(yè)電子設(shè)備熱仿真軟件Flotherm輔助對某電子設(shè)備電源模塊進行風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計，定量分析了模塊在高溫、常溫下正常工作時所需的進風(fēng)量范圍，并仿真計算了模塊在該進風(fēng)量范圍的風(fēng)道阻力特性曲線。

【關(guān)鍵詞】電源 熱設(shè)計；數(shù)值仿真；Flotherm

1.引言

復(fù)雜的機載電子設(shè)備由于內(nèi)部各功能模塊需要各種不同量值的電壓，需要將機上輸入的單一電壓進行轉(zhuǎn)換以滿足設(shè)備工作需求，所以一般都需要自帶電源模塊。另一方面由于機上空間及有效核載有限，機載電子設(shè)備向小型化發(fā)展，由于設(shè)備從傳遞文本信號向傳遞語音、視頻等高密度信號發(fā)展，實時數(shù)據(jù)處理量急劇增大，設(shè)備向高速化、集成化發(fā)展，這對設(shè)備的電源模塊提出了很高的要求。同時，由于電源模塊轉(zhuǎn)換效率有限，平臺輸入功率的很大一部分都成為了熱功耗。這部分熱功耗會造成元器件溫度的急劇升高，進而影響到電源模塊的工作性能。

某高速寬帶通信設(shè)備由數(shù)據(jù)處理、功放和電源等模塊組成。根據(jù)系統(tǒng)功能計算出設(shè)備正常工作時電源模塊的熱功耗約為120W。高溫（70℃）下器件工作溫度不超過100℃。受設(shè)備整機尺寸限制，分配到電源模塊的外形尺寸為寬X高X深=50X190X300（mm）。通過計算可得設(shè)備體積熱功率密度為4.2×104W/m3。由參考文獻[1、2]可知，在溫升40℃時空氣自然冷卻的體積功率最大為0.9×104W /m3，故自然散熱已經(jīng)無法滿足本模塊散熱要求，而強迫風(fēng)冷散熱能力足夠。經(jīng)溝通，機上可提供入口為5℃的冷卻風(fēng)，風(fēng)量可選，但要求設(shè)備出風(fēng)口溫度不低于60℃，以達(dá)到機上冷卻源的有效利用，故該設(shè)備最終采用風(fēng)冷冷卻方式。

2.模塊結(jié)構(gòu)熱設(shè)計

從風(fēng)冷具體形式上看，冷卻風(fēng)掠過電源板直接冷卻雖然效率高，但根椐以往同類設(shè)備設(shè)計經(jīng)驗，考慮到設(shè)備需要進行濕熱、鹽霧、電磁屏蔽等環(huán)境試驗，電源板直接裸露在風(fēng)道中的形式較難通過。故采用風(fēng)冷殼體的形式，將器件發(fā)熱導(dǎo)至殼體，再由冷卻風(fēng)帶出。電源模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計為：模塊由電源殼體、電源板和蓋板組成。

殼體正面腔體中安裝電源板，用蓋板密封，背面腔體與數(shù)據(jù)處理模塊的殼體間為風(fēng)道。風(fēng)道殼體表面做導(dǎo)電氧化處理。

電源板上主要發(fā)熱器件有6個，為了減少界面熱阻，各主要發(fā)熱器件先固定在殼體腔底，再將其管腳焊接在印制板上，器件和安裝面間隙填充高導(dǎo)熱系數(shù)的軟錫箔紙以減小界面熱阻[3]。殼體正面布局如圖1所示。

風(fēng)道一個進口，兩個出口，進出口的大小和位置由設(shè)備整機給定。風(fēng)道內(nèi)部設(shè)計散熱齒（風(fēng)道深度10mm，散熱齒高9.5mm）以提高散熱效率，設(shè)計散熱齒后風(fēng)道布局如圖2所示。

3.模塊散熱仿真分析

CFD仿真軟件可以在設(shè)計初期模擬驗證設(shè)計方案的可行性，目前常用的專業(yè)電子設(shè)備散熱分析軟件有Icepak、FLOTHERM等。本文應(yīng)用FLOTHERM分析模塊的散熱。將簡化后的電源模塊結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Flotherm建立熱仿真模型，分析常溫和高溫下模塊散熱性能。

仿真條件如下[4]：環(huán)境溫度分別設(shè)置為25℃和70℃，入口冷卻風(fēng)5℃，固定流量入口。殼體材料Al5A06，器件材料設(shè)為Si_typical，錫箔紙由于厚度太小用一界面熱阻代替。

風(fēng)道部分和器件部位網(wǎng)格局部加密，考核入口流量在0.0016m3/s至0.0051m3/s之間變化時，器件工作溫度和出口溫度，仿真分析得到器件穩(wěn)態(tài)工作溫度和出口平均溫度隨流量變化曲線如圖3所示（前期仿真分析表明D5溫度最高，故器件僅以D5代表）。

從圖中可以看出，流量大于0.0023m3/s后，高溫下器件工作溫度低于100℃，流量小于0.0036m3/s，常溫下出口流體平均溫度高于60℃。兩者都滿足的模塊散熱風(fēng)量應(yīng)在0.0023-0.0036m3/s之間選擇。此區(qū)間風(fēng)道隨力曲線如圖4所示。

4.結(jié)論

（1）對該電源模塊，強迫風(fēng)冷入口流量在0.0023-0.0036m3/s之間時，既可滿足高溫下器件工作溫度不高于100℃，又可滿足常溫下出口風(fēng)溫不低于60℃的要求。

（2）應(yīng)用CFD軟件Flotherm可以在模塊設(shè)計初期方便快速地模擬出設(shè)備的熱性能，對強迫風(fēng)冷設(shè)備還可計算出風(fēng)阻特性曲線。從而快速確定設(shè)計方案，從而縮短整個設(shè)備的研發(fā)周期，在激烈的市場競爭中贏得先機。

參考文獻

[1]電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，1989.

[2]張瑜，電子設(shè)備熱設(shè)計與分析[J].航空兵器，2011，2.

[3]邱成悌，趙殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001.

[4]李波，等.Flotherm軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)用[J].電子機械工程，2008，24：3.