某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)熱場設(shè)計與仿真分析

王 鎮(zhèn)　王貴剛　辛瑞紅　楊名軍（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100854）

?

某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)熱場設(shè)計與仿真分析

王 鎮(zhèn)王貴剛辛瑞紅楊名軍
（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100854）

摘 要通過對某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)的熱設(shè)計與仿真分析，對系統(tǒng)傳熱類型、風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計、通風(fēng)面積，以及Zoom-in技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)行了分析，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過該設(shè)計過程，在滿足產(chǎn)品力學(xué)要求的同時，實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計與熱設(shè)計的有效結(jié)合，從而達(dá)到了設(shè)計的高效、低成本、自動化要求。

關(guān)鍵詞平臺電路箱，測試系統(tǒng)，熱設(shè)計，仿真分析

引 言

隨著世界電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的功能日益增強(qiáng)，復(fù)雜性日益提高，同時，其集成度也越來越高，加之電子設(shè)備單位體積的功耗不斷增加，引起設(shè)備溫度迅速上升。由種類繁多的電子設(shè)備所組成的系統(tǒng)級裝備，也因此面臨著如何解決散熱困難的問題。目前，在傳熱與流場分析方面，已有很多成熟的仿真軟件，由于研究對象的復(fù)雜程度不同，應(yīng)用這類軟件分析解決元件級、板級、設(shè)備級的熱設(shè)計問題比較普遍，而解決系統(tǒng)級熱控問題比較困難。因此，對電子設(shè)備的熱設(shè)計問題進(jìn)行較深入研究，并找出系統(tǒng)級設(shè)備熱設(shè)計問題的關(guān)鍵點和技術(shù)方法，對總體設(shè)計意義重大。某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)是典型的系統(tǒng)級電子設(shè)備的載體，采用專業(yè)電子設(shè)備熱分析軟件ICEPAK對機(jī)柜進(jìn)行建模、分析，可以驗證熱設(shè)計方案的正確性和可行性，在節(jié)約成本的同時，大幅提高效率。

1　總體設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)組成及方案

某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)主要由一次電源模塊、二次電源模塊、信號發(fā)生器、脈沖計數(shù)器、多功能校準(zhǔn)儀、數(shù)字萬用表、繼電器切換電路，以及工控機(jī)、顯示器等組成。其中，繼電器切換電路和二次電源模塊均安裝在轉(zhuǎn)接箱內(nèi)，通過接插件與外部設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)互通。該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝

基于設(shè)計方案選用的資源，該系統(tǒng)裝配效果如圖2所示。其中，左側(cè)是正視圖，右側(cè)是后視圖。在圖2左側(cè)，安裝順序自上至下依次為顯示器、鍵盤鼠標(biāo)抽屜、轉(zhuǎn)接箱、程控電源、數(shù)字萬用表（8508A）、多功能校準(zhǔn)儀（5522A）、信號發(fā)生器（33220A）、通用脈沖計數(shù)器（53230A）和工控機(jī)。

1　圖總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)的整體機(jī)柜采用型材方案，結(jié)構(gòu)簡單，整體性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)剛性好，抗變形能力強(qiáng)，重量輕，主要承力部件的抗銹蝕能力強(qiáng)，且成本低。結(jié)構(gòu)整體采用模塊化設(shè)計，盡量按每一獨(dú)立功能模塊設(shè)計操作面板及操作模塊，做到獨(dú)立模塊可拆卸。轉(zhuǎn)接箱內(nèi)安裝繼電器切換電路板、二次電源模塊電路板及其與外部的測試和控制接口。電路板全部安裝在subrack公司生產(chǎn)的插箱上，如圖3所示。

2　熱源分析及熱問題

2.1機(jī)柜傳熱類型

（1）自然冷卻。自然冷卻無需外部動力作用，是通過傳導(dǎo)、對流及輻射把熱量傳導(dǎo)到機(jī)柜的金屬外殼并散發(fā)到空間的散熱方式，也可利用自然流動的空氣吸走元器件上的熱量，經(jīng)過機(jī)柜上方的通氣孔、百葉窗排出機(jī)柜。自然冷卻是最經(jīng)濟(jì)、簡便的冷卻方法，一般用于發(fā)熱量小、熱流密度低的機(jī)柜。

（2）強(qiáng)迫風(fēng)冷。強(qiáng)迫風(fēng)冷是最常用的一種高效冷卻方法，是利用風(fēng)機(jī)驅(qū)動冷空氣經(jīng)過電子設(shè)備實現(xiàn)強(qiáng)迫冷卻的散熱方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷分為抽風(fēng)和鼓風(fēng)兩種方式，抽風(fēng)即通過風(fēng)機(jī)把機(jī)柜內(nèi)部的熱空氣抽出，冷空氣從機(jī)柜底部補(bǔ)充進(jìn)來，這種方式操作簡單，但要注意機(jī)柜內(nèi)部的元器件排列要有間隙，使冷風(fēng)能夠充分均勻地通過每個元器件，獲得較好的冷卻效果；鼓風(fēng)通過風(fēng)機(jī)或風(fēng)管向機(jī)柜內(nèi)部或發(fā)熱量大的元器件直接傳送冷風(fēng)，使溫度高的空氣得以排出。為使得機(jī)柜內(nèi)需要冷卻的元器件都能得到冷風(fēng)，需要對機(jī)柜內(nèi)的風(fēng)路進(jìn)行設(shè)計，以合理分配風(fēng)量，常見的方式有縱向通風(fēng)和橫向靜壓式通風(fēng)兩種。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱工作可靠、易于維修保養(yǎng)、成本相對較低，所以，在需要散熱的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用，同時也是高功率器件采用的主要冷卻形式。

（3）氣-水混合冷卻。氣-水混合冷卻的前提是將機(jī)柜設(shè)計成密閉式的，在機(jī)柜的兩側(cè)安裝風(fēng)道，同時在機(jī)柜的某一部位安裝氣-水熱交換器。熱空氣從兩側(cè)風(fēng)道抽回后流經(jīng)氣-水熱交換器時，熱量由熱交換器中的冷卻水帶到機(jī)柜外。冷卻后的空氣又吹向各個元器件，把元器件的熱量帶走，如此循環(huán)。這種冷卻方式的好處是避免了外界空氣中的灰塵、霉菌等對電子設(shè)備元器件的污染，但成本較高，通常應(yīng)用在特殊工作環(huán)境中。

2.2系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)

根據(jù)傳熱類型，初步選擇整機(jī)系統(tǒng)采用自然冷卻方式。在機(jī)柜系統(tǒng)設(shè)計中，首先需要合理設(shè)計風(fēng)道結(jié)構(gòu)，良好的風(fēng)道結(jié)構(gòu)可使外界冷空氣有效地進(jìn)入內(nèi)環(huán)境，并流經(jīng)熱功率元件，降低熱環(huán)境溫度。系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計通常應(yīng)符合以下基本原則：（1）進(jìn)、出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，以強(qiáng)化煙囪效果；（2）出風(fēng)口盡可能設(shè)計在系統(tǒng)的頂部；（3） 機(jī)柜面板若沒有特別要求，一般不要開通風(fēng)孔，以利于形成有效煙囪；（4）系統(tǒng)后部應(yīng)預(yù)留一定空間以利于氣流順暢流出；（5）為了避免熱空氣流入系統(tǒng)而影響其可靠性，可把氣流風(fēng)道隔離，形成完整、獨(dú)立的風(fēng)道。

根據(jù)以上設(shè)計原則，結(jié)合某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計橫向和縱向兩種風(fēng)道方案形式。其中，橫向風(fēng)道設(shè)計方案如圖4所示，其采用獨(dú)立散熱風(fēng)道，機(jī)柜出風(fēng)口位于頂部。各模塊單元為前后通風(fēng)冷卻。機(jī)柜后面的風(fēng)道留有足夠通風(fēng)距離（200mm），各模塊上下安裝遵循“耐高溫在上，熱敏感在下”的原則，除進(jìn)、出風(fēng)口外，其它部位做好密封，提高整體結(jié)構(gòu)的散熱效率?？v向風(fēng)道設(shè)計方案如圖5所示，其同樣采用獨(dú)立散熱風(fēng)道，機(jī)柜出風(fēng)口位于頂部，所不同的是各模塊單元為上下風(fēng)道。該方案的優(yōu)點是風(fēng)向流阻小，風(fēng)道效率高，但底部熱空氣將依次流經(jīng)各模塊并通過頂部排除，此時，熱功率較大的模塊單元必須放置在頂部，避免過熱空氣流經(jīng)整個系統(tǒng)。

圖4　橫向風(fēng)道設(shè)計方案示意圖

圖5　縱向風(fēng)道設(shè)計方案示意圖

對比分析兩個風(fēng)道方案可見，縱向風(fēng)道方案雖然流阻小，但底部模塊單元對上部安裝單元影響較大，不利于系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)散熱，而橫向風(fēng)道方案可有效阻隔各單元間的影響，對整體系統(tǒng)散熱較為有利，因此采用橫向風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

2.3通風(fēng)計算及熱源分析

根據(jù)橫向風(fēng)道設(shè)計方案，需在機(jī)柜開設(shè)相應(yīng)的散熱孔，保證外界空氣正常流入機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)。系統(tǒng)通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口的面積大小可按下列公式計算：

S=Q/(7.4×10-5H×Δt1.5)

其中，S為通風(fēng)口面積，單位為cm2；Q為機(jī)柜內(nèi)總的散熱量，單位為W；H為機(jī)柜的高度，單位為cm；Δt=t2-t1，為內(nèi)部空氣溫度t2與外部空氣溫度 t1之差，單位為℃。

根據(jù)上述公式，計算出進(jìn)風(fēng)口面積S進(jìn)=225cm2，同時，根據(jù)《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊》（GJBZ 27-1992）出風(fēng)口的面積大小應(yīng)為進(jìn)風(fēng)口面積大小的1.5倍~2倍，最終得到出風(fēng)口面積S出=405cm2。

2.4系統(tǒng)Zoom-in應(yīng)用仿真

通過上述熱設(shè)計過程，確定結(jié)構(gòu)熱設(shè)計參數(shù)后，需要借助熱仿真軟件開展熱仿真分析。作為結(jié)構(gòu)尺寸較大的整機(jī)系統(tǒng)熱仿真，如果直接進(jìn)行建模，網(wǎng)格劃分需要較大間隙，可能會導(dǎo)致小尺寸組部件單元熱仿真準(zhǔn)確性嚴(yán)重下降，甚至可能被忽略。而如果減小網(wǎng)格間隙，則整體網(wǎng)格劃分參數(shù)復(fù)雜，仿真運(yùn)算時間長。

針對上述系統(tǒng)仿真問題，利用Zoom-in技術(shù)在解決復(fù)雜系統(tǒng)研究中具有重要的意義。Zoom-in技術(shù)可以將系統(tǒng)研究細(xì)分到組部件熱場分析中，甚至可以細(xì)分到板級產(chǎn)品的分析中。通過逐級導(dǎo)入分析結(jié)果，最終獲得一個更為準(zhǔn)確的系統(tǒng)熱仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6　利用Zoom-in技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)熱仿真設(shè)計示意圖

因此，通過分析機(jī)柜整體結(jié)構(gòu)及熱源情況可以看出，機(jī)柜系統(tǒng)中轉(zhuǎn)接箱功耗相對較大，同時，轉(zhuǎn)接箱熱源為未知參量，因此，將轉(zhuǎn)接箱作為研究目標(biāo)，并通過Zoom-in求解轉(zhuǎn)接箱整體熱仿真情況，建立轉(zhuǎn)接箱及電源板Icepak熱仿真模型如圖7所示。

圖7　轉(zhuǎn)接箱及電源板Icepak熱仿真模型

劃分網(wǎng)格并利用Zoom-in技術(shù)可得出如圖8所示的仿真結(jié)果，通過仿真云圖可以得出轉(zhuǎn)接箱電源板穩(wěn)態(tài)溫度維持在42℃左右，能夠滿足板卡及系統(tǒng)內(nèi)熱環(huán)境要求。

3　結(jié)束語

本文針對某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)開展了熱設(shè)計及仿真分析，通過明確傳熱類型、設(shè)計風(fēng)道及通風(fēng)優(yōu)化，針對轉(zhuǎn)接箱結(jié)構(gòu)開展了熱仿真分析。通過上述熱設(shè)計分析過程，在狀態(tài)變量的約束條件下，使得系統(tǒng)的熱環(huán)境溫度不斷降低，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，并最終形成了整體結(jié)構(gòu)方案，如圖9所示。

通過上述系統(tǒng)熱設(shè)計仿真過程，設(shè)計人員可總結(jié)出一套切實可行的熱設(shè)計流程方案，可有效提高產(chǎn)品設(shè)計的效率，增強(qiáng)設(shè)備系統(tǒng)可靠性，節(jié)約生產(chǎn)設(shè)計成本，對生產(chǎn)工作有著重要參考價值和借鑒意義。

圖8　電源板溫度場仿真云圖

圖9　平臺電路箱測試系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)

1 孫靖民, 梁迎春. 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(第4版) [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006: 124~125

2 邱成悌, 趙惇殳, 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, 2005

3 萬偉學(xué). Icepak在電子設(shè)備熱分析中的應(yīng)用[J]. 動力與電氣工程, 2012, (23): 122

4 白秀茹. 典型的密封式電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2002, 18(4): 36~38

5 趙經(jīng)文, 王宏釬. 結(jié)構(gòu)有限元分析（第二版）[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2001

文章編號：1009-8119（2016）03（1）-0058-03