某車載信號源的熱設(shè)計(jì)

張育棟

【摘 要】本文用熱分析軟件ANSYS Icepak對某車載信號源的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注各模塊的最高溫度和機(jī)箱中的速度分布，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的不足之處，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)模型的散熱能力，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】熱設(shè)計(jì)；最高溫度；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；理論依據(jù)

【Abstract】Numerical study of a vehicular signal cabinet initial structure was completed with software ANSYS Icepak in this paper. The difference of maximum temperature on each module and velocity field in the cabinet was compared to find the deficiencies of the structure. In order to enhance the cooling capacity of this cabinet， an improving structure was designed and compared with the initial one. The results of this paper could provide theoretical guidance for the structure design of the cabinet.

【Key words】Thermal design； Maximum temperature； Structure design； Theoretical guidance

0 前言

這些年來信息技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)力都在強(qiáng)勁增長，其中涉及到的電子系統(tǒng)極為廣泛，可以從納米級的集成電路到各種功能的電子設(shè)備和更復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備由于過熱導(dǎo)致的失效約有一半以上。隨著溫度的增長，電子設(shè)備的失效率呈現(xiàn)出指數(shù)增長的趨勢，對于大部分電子元器件，當(dāng)環(huán)境溫度上升10℃，其可靠性將降低一倍，這就是著名的“10℃法則”[1]。為了使電子設(shè)備能正常的工作，必須及時(shí)地將其中的電子元器件產(chǎn)生的熱量散發(fā)到環(huán)境之中，這對設(shè)備的可靠性有著十分重要的意義。

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)是芯片級、元件級、組體級和系統(tǒng)級可靠性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的是為設(shè)備提供良好的熱工作環(huán)境，防止元器件的熱失效，以保證它們在規(guī)定的熱環(huán)境條件下，可以按照預(yù)定的方案正常工作[2]。在確定熱設(shè)計(jì)方案時(shí)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)選擇元器件的最大功耗以及器件所允許的最高溫度。對于工作系統(tǒng)而言，需要采用合適的方法將元器件產(chǎn)生的熱量耗散掉，并將元器件的溫度維持在一個(gè)合理的水平。

本文通過專業(yè)的熱分析軟件ANSYS Icepak對一種車載信號源進(jìn)行了研究，分析該設(shè)備的工作情況，并改進(jìn)結(jié)構(gòu)的不足之處，以提高該設(shè)備的適應(yīng)性，為該機(jī)箱的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型

本文研究的車載信號源三維模型如圖1中所示，各模塊位置如下圖2所示。

信號源的組成部分有：機(jī)箱、支架、母板、風(fēng)機(jī)、一個(gè)TR組件、一個(gè)電源模塊、一個(gè)接收模塊和一個(gè)發(fā)射模塊。機(jī)箱和支架都為鋁合金材料。四個(gè)模塊通過支架安裝在機(jī)箱里，其中發(fā)射模塊最大熱功耗為35W，接收模塊最大熱功耗為15W，電源模塊最大熱功耗為15W，TR組件最大熱功耗為16W。機(jī)箱左側(cè)裝有風(fēng)機(jī)，底面左右兩側(cè)各有一個(gè)通風(fēng)口，通過強(qiáng)迫對流進(jìn)行散熱。

2 仿真分析

將整個(gè)信號源模型導(dǎo)入軟件Icepak中，選用Blocks模型對各個(gè)模塊進(jìn)行替換，設(shè)置相應(yīng)部分的材料和熱功耗。對整個(gè)模型用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，選取合適的網(wǎng)格單元大小并對局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，最后得到網(wǎng)格單元數(shù)為651612，節(jié)點(diǎn)數(shù)為674528。經(jīng)檢查，網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足計(jì)算要求[3]。

考慮到室外工作環(huán)境的情況，分別對環(huán)境溫度為25℃和65℃的模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。選用的風(fēng)機(jī)特性曲線如下圖3所示。各模塊的最高溫度如下表1所示。

可以看出，四個(gè)模塊中發(fā)射模塊的溫度最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他模塊。環(huán)境溫度為25℃時(shí)，發(fā)射模塊的最高溫度為41.5℃，各模塊溫度都低于80℃；環(huán)境溫度為65℃時(shí)，四個(gè)模塊的溫度云圖如圖4所示，其中發(fā)射模塊的最高溫度為81.5℃，超過了模塊的最大許可溫度，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。兩種條件下，發(fā)射模塊的最大溫升都是16.5℃。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了進(jìn)一步地降低模塊的溫度，提高設(shè)備可靠性，需要對信號源箱體進(jìn)行改進(jìn)。發(fā)射模塊熱功耗大、溫度最高，需在其安裝支架底部加裝散熱翅片；考慮到TR組件的表面積較小、熱流密度較高，在TR組件上表面也加裝散熱翅片。翅片的安裝位置如下圖5（a）所示；翅片的相關(guān)尺寸如圖5（b）所示，翅片高度為6mm，寬度為2mm，翅片間隔2mm，基板厚度為2mm。在機(jī)箱的左右兩側(cè)，設(shè)計(jì)斜風(fēng)道，如圖6所示。

進(jìn)過仿真計(jì)算，求解改進(jìn)后模型的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)環(huán)境溫度為65℃時(shí)，表2對比了模型改進(jìn)前和改進(jìn)后不同模塊的最高溫度。可以看到，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后各模塊溫度均有降低，發(fā)射模塊的最高溫度降為76.3℃，最大溫升為11.3℃，滿足模塊溫度低于80℃的要求。

本文用熱分析軟件Icepak對車載信號源的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，降低了各模塊的最高溫度，為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供了指導(dǎo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]付桂翠，高澤溪，方志強(qiáng)等.電子設(shè)備熱分析技術(shù)研究[J].電子機(jī)械工程.2004， （1）.13～16；

[2]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；

[3]ANSYS Icepak 13.0 HELP Release 13.0[Z].

[責(zé)任編輯：張濤]