基于仿真的大功率功放模塊強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李兵強(qiáng)，劉新博，馮昕罡

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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基于仿真的大功率功放模塊強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李兵強(qiáng)，劉新博，馮昕罡

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

某數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的功放模塊發(fā)熱問(wèn)題比較突出，常溫工作即發(fā)生熱保護(hù)。分析了該功放模塊原散熱結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用熱仿真軟件輔助分析，建立了模塊的熱仿真模型，分析了常溫和高溫工作時(shí)模塊散熱性能。最后對(duì)常溫散熱性能進(jìn)行了熱測(cè)試，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，表明改進(jìn)后的模塊散熱結(jié)構(gòu)方案有效可行。

功放模塊；熱仿真；強(qiáng)迫風(fēng)冷

0 引 言

隨著電子通信設(shè)備的作用距離越來(lái)越遠(yuǎn)，要求其功率發(fā)射單元——功放模塊不斷向高功率、高密度方向發(fā)展。功放模塊的主要熱源是功率管，尤其是末級(jí)功率管，熱耗占功放模塊70%以上，熱量非常集中。模塊散熱不良會(huì)導(dǎo)致功率管結(jié)溫升高，進(jìn)而發(fā)射功率下降，設(shè)備通信距離不足，甚至管芯溫度超過(guò)功率管許用結(jié)溫而燒毀。因此要求對(duì)功放模塊進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)，保證其持續(xù)穩(wěn)定可靠的工作[1]。

空氣自然對(duì)流、強(qiáng)迫風(fēng)冷和液冷是電子設(shè)備最常用的3種散熱方式。對(duì)于大功率功放模塊，空氣自然對(duì)流散熱能力不足，液冷散熱系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，散熱能力可以滿足大部分場(chǎng)合的需求。某數(shù)據(jù)鏈設(shè)備研制過(guò)程中，其大功率功放模塊散熱能力不足，在散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合應(yīng)用熱測(cè)試和熱仿真分析軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，縮短了研發(fā)周期，較為快速地獲得了散熱設(shè)計(jì)方案。改進(jìn)后的模塊熱測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，可為同類型大功率功放模塊散熱提供一定的設(shè)計(jì)參考。

1 功放模塊散熱設(shè)計(jì)要求

某數(shù)據(jù)鏈設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考了標(biāo)準(zhǔn)航空機(jī)載機(jī)箱(ATR)的尺寸和安裝使用要求，應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，采用積木拼裝式模塊化組合結(jié)構(gòu)，模塊殼體上直接加工散熱齒，裝配后模塊間形成風(fēng)道，散熱方式為間接強(qiáng)迫風(fēng)冷。其中功放模塊發(fā)熱最為嚴(yán)重，平均熱耗約為250 W，模塊尺寸限制為寬×高×深=65 mm×194 mm×320 mm，重量不大于3.8 kg。功放模塊的主要功能是將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大由天線輸出，或者接收天線的信號(hào)進(jìn)行處理后輸送至數(shù)據(jù)處理單元。該功放模塊為雙天線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)要求常溫下雙天線同時(shí)發(fā)射時(shí)，單端口穩(wěn)態(tài)輸出功率不小于100 W。

2 原模塊散熱結(jié)構(gòu)及測(cè)試

功放模塊初版散熱結(jié)構(gòu)如圖1所示，模塊設(shè)計(jì)為兩腔結(jié)構(gòu)，外側(cè)腔內(nèi)安裝各熱源微波組件，內(nèi)側(cè)腔中加工散熱齒，通過(guò)螺釘與相鄰模塊殼體裝配后形成閉合風(fēng)道，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的安裝托架，冷卻風(fēng)源既可以是設(shè)備安裝平臺(tái)供風(fēng)，也可以在托架底部安裝風(fēng)機(jī)供風(fēng)。各個(gè)風(fēng)道的風(fēng)量分配通過(guò)調(diào)整進(jìn)風(fēng)口大小和風(fēng)道內(nèi)阻力進(jìn)行控制。

調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，室溫下功放模塊發(fā)熱嚴(yán)重，發(fā)射功率隨著模塊溫度升高而迅速下降。為此，室溫下(+25 ℃)對(duì)模塊進(jìn)行熱測(cè)試，模塊外殼溫度測(cè)點(diǎn)和輸出功率的熱測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，模塊工作后溫度迅速上升，輸出功率很快降至100 W以下。實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，常溫下模塊工作約20 min后過(guò)溫保護(hù)，模塊散熱能力不滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)分析，模塊散熱能力不足主要有以下3點(diǎn)：

(1) 風(fēng)道設(shè)計(jì)不合理，風(fēng)阻過(guò)大，風(fēng)道寬度過(guò)窄(10 mm)，進(jìn)出風(fēng)口尺寸過(guò)小，風(fēng)道內(nèi)散熱齒過(guò)密；

(2) 功率管散熱路徑上熱阻過(guò)大，導(dǎo)致局部過(guò)熱；

(3) 射頻電路設(shè)計(jì)上采用單管輸出方式，造成單個(gè)功率管熱耗過(guò)大；

(4) 整機(jī)為多風(fēng)道并聯(lián)結(jié)構(gòu)，風(fēng)道系統(tǒng)復(fù)雜，阻力計(jì)算不準(zhǔn)確，造成了分配至功放模塊的風(fēng)量不足。

3 改進(jìn)后功放模塊散熱結(jié)構(gòu)

針對(duì)初版模塊出現(xiàn)的散熱問(wèn)題，再版時(shí)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 由整機(jī)散熱改為模塊自帶風(fēng)機(jī)散熱

綜合考慮模塊內(nèi)部微波組件布局要求、器件發(fā)熱特性、電磁屏蔽要求和維修的方便性等因素，模塊設(shè)計(jì)為多腔結(jié)構(gòu)，采用自帶風(fēng)機(jī)間接強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，風(fēng)道設(shè)計(jì)在模塊外側(cè)，與內(nèi)部電路組件安裝空間隔離。設(shè)計(jì)完成后,模塊散熱結(jié)構(gòu)在整機(jī)中的示意如圖3所示。

采用吹風(fēng)散熱方式，風(fēng)機(jī)選擇計(jì)算如下：

(1)

式中：Pr為模塊熱耗(W)；cP為空氣比熱容(J/(kg·℃)),標(biāo)況下取為1 005 J/(kg·℃)；ρ為空氣密度(kg/m3)，標(biāo)況下為1.29 kg/m3；Qf為體積流量(m3/s)；ΔT為進(jìn)出口溫差，初選15 ℃。

經(jīng)計(jì)算所需冷卻風(fēng)量為46.3 m3/h。綜合考慮風(fēng)機(jī)尺寸重量、流阻特性和環(huán)境適應(yīng)性等因素，選擇3臺(tái)Sunon公司的Me50152V1-000C-A99型軸流式風(fēng)機(jī)，外形尺寸為50 mm×50 mm×15 mm，開(kāi)口流量31 m3/h，閉口壓力64 Pa。風(fēng)機(jī)啟?？刂仆ㄟ^(guò)在模塊內(nèi)部設(shè)置溫控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

(2) 減小功率管散熱熱阻

功放模塊的主要熱源是功率管，尤其是4只末級(jí)功率管，占整個(gè)模塊熱耗的70%以上，其尺寸很小，若導(dǎo)熱熱阻過(guò)大很容易因局部過(guò)熱而損毀。

為了減小傳導(dǎo)熱阻，先將功率管焊接在紫銅板上(作均熱板用，保證熱量迅速散開(kāi))，導(dǎo)熱率385 W/(m·K)，再一起安裝在模塊盒體內(nèi)腔底部。銅板與盒壁之間墊軟金屬導(dǎo)熱墊，厚度0.1 mm，導(dǎo)熱率為80 W/(m·K)，以減小界面接觸熱阻。在銅板正對(duì)的盒體外壁上直接加工散熱齒，盒體外腔與模塊外側(cè)蓋板形成風(fēng)道，風(fēng)機(jī)正對(duì)散熱齒吹風(fēng)，強(qiáng)化對(duì)流散熱。功率管散熱路徑如圖4所示。

(3) 優(yōu)化內(nèi)腔組件布局和風(fēng)道結(jié)構(gòu)，減小風(fēng)道阻力

對(duì)模塊熱源器件布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能為功率管背腔風(fēng)道留出空間進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)。借助熱仿真軟件，經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定風(fēng)道內(nèi)散熱器尺寸為165 mm×180 mm×29 mm，基底厚度2 mm，散熱齒間距6 mm，齒底寬2 mm，齒頂寬1.2 mm。風(fēng)扇嵌入到散熱器中安裝以節(jié)省空間。

(4) 電路設(shè)計(jì)上改進(jìn)功率合成方式

將單個(gè)天線支路功率合成方式由單功率管輸出改為雙管合成輸出，從而單只功率管的熱耗只有原來(lái)的一半，可有效改善局部過(guò)熱問(wèn)題。

模塊散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)完成后，如圖5所示。

4 改進(jìn)后功放模塊的散熱仿真分析

模塊總熱耗為250 W，熱耗主要集中在4只末級(jí)功率管上，均為45 W，此外，濾波器、前級(jí)功率管和接收支路等其它組件熱耗也不可忽略，模塊熱分布如圖6所示。

仿真分析采用專業(yè)電子設(shè)備熱分析軟件FLOTHERM。為了簡(jiǎn)化分析，忽略功放模塊和整機(jī)其它模塊間的熱傳導(dǎo)，將模塊進(jìn)出風(fēng)口用通風(fēng)板代替，并去掉了模塊結(jié)構(gòu)模型中的圓角、螺孔等幾乎不影響散熱又會(huì)引起網(wǎng)格數(shù)量劇增的小特征[2]。簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入FLOTHERM后如圖7所示。

熱仿真模型中，風(fēng)道內(nèi)速度梯度比較大，對(duì)風(fēng)扇及散熱齒區(qū)域網(wǎng)格加密，通過(guò)局域化網(wǎng)格邊界限制網(wǎng)格最大長(zhǎng)寬比，劃分完成后，模型總網(wǎng)格數(shù)約為115萬(wàn)，最大長(zhǎng)寬比為6。模塊殼體材料設(shè)定為AL6061，均熱板材料為紫銅。功率管按均質(zhì)發(fā)熱體處理，材質(zhì)為銅。均熱板與盒底之間的金屬導(dǎo)熱墊厚度太小，在模型中不進(jìn)行建模，直接設(shè)定接觸熱阻[3]。

由于模塊重量要求十分嚴(yán)格，導(dǎo)熱銅板長(zhǎng)度和寬度按空間布局選定為83.2 mm×42.8 mm，為了確定最優(yōu)的導(dǎo)熱銅板的厚度，做如下仿真分析：以銅板厚度為輸入變量，功率管殼溫為輸出變量，仿真曲線如圖8所示。

初始不墊銅板，相當(dāng)于功率管直接貼在殼體上?？梢钥闯?，加銅板散熱效果相當(dāng)明顯，隨著厚度增加，功率管殼溫一直下降，但降速變緩。綜合考慮散熱效果和重量，本設(shè)計(jì)散熱銅板厚度取為1.8 mm。

為了分析模塊在常溫和高溫下散熱性能，仿真分析設(shè)定環(huán)境溫度分別為室溫+25 ℃和模塊高溫工作溫度+55 ℃。設(shè)定所有邊界條件，計(jì)算收斂后，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)如圖9所示。

風(fēng)機(jī)工作效率約為37%，3個(gè)風(fēng)機(jī)總流量約為38 m3/h，小于設(shè)計(jì)值，表明風(fēng)機(jī)風(fēng)量偏小。但限于模塊結(jié)構(gòu)尺寸，該風(fēng)機(jī)已是當(dāng)前最優(yōu)選擇。

常溫(+25 ℃)下模塊溫度分布如圖10所示。

圖10中模塊殼體上表面測(cè)點(diǎn)溫度為59.8 ℃，風(fēng)道散熱齒底部測(cè)點(diǎn)溫度為65.8 ℃。

高溫工作(+55 ℃)時(shí)，模塊散熱環(huán)境最為嚴(yán)酷，仿真云圖如圖 11所示。

從仿真溫度云圖上看出，此時(shí)設(shè)計(jì)關(guān)心的功率管殼溫為107 ℃。按功率管結(jié)溫計(jì)算公式：

Tj=TC+Rjc·Pdiss

(2)

式中:Tj為計(jì)算結(jié)溫(℃)；Tc為功率管殼溫(℃)；Rjc為結(jié)殼熱阻(℃/W)；Pdiss為功率管熱耗(W)。

從該功率管技術(shù)手冊(cè)上查得其結(jié)殼熱阻為1.27 ℃/W，許用結(jié)溫為250 ℃，降額使用結(jié)溫不高于200 ℃。求得功率管結(jié)溫為164 ℃，滿足降額使用的設(shè)計(jì)要求。

5 改進(jìn)后功放模塊常溫?zé)釡y(cè)試

模塊調(diào)試完成后，進(jìn)一步對(duì)散熱性能進(jìn)行了室溫下的測(cè)試。溫度測(cè)試采用1套安捷倫的34972A熱電偶溫度測(cè)試系統(tǒng)，由于模塊結(jié)構(gòu)所限，無(wú)法直接測(cè)量功率管殼體溫度，測(cè)點(diǎn)位置選在圖10所示的風(fēng)道散熱齒底面和模塊上表面。模塊輸出功率由人工每隔50 s從功率計(jì)讀取1次。搭建的熱測(cè)試環(huán)境如圖12所示。

模塊測(cè)點(diǎn)溫度和輸出功率隨時(shí)間變化曲線如圖13所示。模塊工作約半小時(shí)后達(dá)到熱平衡，穩(wěn)態(tài)下單端輸出功率約104 W，滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)點(diǎn)仿真溫度和實(shí)測(cè)溫度對(duì)比如表1所示。

表1 常溫下仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)照表

從表1可看出，常溫下實(shí)測(cè)溫度略低于仿真溫度，誤差在5%左右。誤差主要來(lái)源于模型簡(jiǎn)化、忽略輻射、熱源簡(jiǎn)化和邊界條件簡(jiǎn)化等原因[4]。誤差幅值在工程研究可接受范圍之內(nèi)，表明建立的模塊熱仿真模型精度足夠，從而采用該熱模型分析的高溫下模塊溫度分布是可信的，高溫下功率管可以正常工作，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的功放模塊熱耗較大，末級(jí)功率管的散熱問(wèn)題尤為突出，是散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了影響某功放模塊散熱的主要因素，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種間接強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的散熱結(jié)構(gòu)，建立了熱仿真模型，分析了模塊的常溫、高溫工作散熱性能，經(jīng)熱測(cè)試摸底，散熱能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文設(shè)計(jì)的間接強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)散熱性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，且具有電磁屏蔽和良好的“三防”能力，對(duì)其它機(jī)載設(shè)備功放模塊散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

[1] 余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2002.

[2] 李波,李科群,俞丹海.Flotherm軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程,2008,24(3):11-13.

[3] 景莘慧.某功放模塊的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2005,21(5):19-21.

[4] 曹紅,呂倩,韓寧.強(qiáng)迫風(fēng)冷電子設(shè)備的熱仿真與熱測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析[J].電訊技術(shù),2008,48(7):109- 112.

DesignofForcedAirCoolingStructureforAmplifierModulewithHighPowerBasedonSimulation

LI Bing-qiang,LIU Xin-bo,FENG Xin-gang
(The 20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Xi'an 710068,China)

The heating problem of power amplifier module of a certain data link equipment is more serious,and the thermal protection occurs in working at normal temperature.This paper analyzes the existing problems of the original heat dissipation structure of the power amplifier module and performs improvement design.In the design process,the thermal simulation software is used to assist the analysis,and the thermal simulation model is established,as well as the heat dissipation performance is analyzed in working at normal temperature and high temperature.Finally,the heat dissipation performance at normal temperature is tested,and the accuracy of the simulation model is verified,which shows that the improved project is effective and feasible.

power amplifier module;heat simulation;forced air cooling

2017-03-25

TN03

：A

：CN32-1413(2017)03-0099-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.024