某通信中繼設(shè)備散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 吳趙兵

在通信系統(tǒng)中，基站、中繼、路由等設(shè)備是通信系統(tǒng)中的重要信息核心樞紐，該類設(shè)備的穩(wěn)定性直接決定了整個(gè)通信系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行。目前通信技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)建設(shè)，需要通信系統(tǒng)中的核心設(shè)備向高密度高集成方向發(fā)展，隨之而來(lái)的是設(shè)備的單位體積熱耗越來(lái)越大。對(duì)于電子設(shè)備而言，電子器件在環(huán)境溫度每升高10℃，其失效率增大一倍以上[1]，可見(jiàn)通信設(shè)備的熱設(shè)計(jì)對(duì)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

在以往通信設(shè)備開(kāi)發(fā)過(guò)程中，多數(shù)研發(fā)人員對(duì)于設(shè)備散熱設(shè)計(jì)往往采用的經(jīng)驗(yàn)對(duì)比和實(shí)測(cè)并反饋改進(jìn)的方法去做產(chǎn)品的散熱優(yōu)化，這種方式比較依賴于工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本較高。隨著近些年計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，各種工程領(lǐng)域的仿真軟件也逐漸涌現(xiàn)，在熱仿真領(lǐng)域也有幾款好用的優(yōu)秀軟件，借助于該類軟件，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)可通過(guò)模擬仿真來(lái)指導(dǎo)和改進(jìn)熱設(shè)計(jì)，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，快速得到設(shè)備散熱措施的最優(yōu)解，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

本文將某款通信中繼設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)為例，以6SigmaET熱仿真軟件為工具，對(duì)產(chǎn)品散熱優(yōu)化進(jìn)行了具體研究和闡述。

1.研究對(duì)象及熱源分析

本研究涉及的對(duì)象為一款集群通信中繼設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱中轉(zhuǎn)臺(tái)），該設(shè)備的主要組成為顯控單元、控制單元、射頻處理單元、雙工器、功放單元，中轉(zhuǎn)臺(tái)模塊布局如圖1所示。其中，功放單元位于中轉(zhuǎn)臺(tái)后部，功放單元內(nèi)的發(fā)熱核心部件為功放管，其位置如圖2所示。

圖1 中轉(zhuǎn)臺(tái)模塊布局效果圖

圖2 功放管位置示意圖

2.散熱需求分析

中轉(zhuǎn)臺(tái)的熱源來(lái)自功放單元的功放管，功放管直接安裝在散熱器上，要保證功放管長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行，功放管的工作溫度有上限要求（由硬件確定，參考值：器件周圍散熱器溫度最高不超過(guò)87度），若溫度超出上限值，功放單元將啟動(dòng)保護(hù)策略降額運(yùn)行，以保設(shè)備安全。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，中轉(zhuǎn)臺(tái)的高度控制為1U，而行業(yè)內(nèi)中轉(zhuǎn)臺(tái)的高度普遍為2U，另外根據(jù)硬件需求，功放單元滿負(fù)荷工作情況下，功放管的熱耗散為70W。根據(jù)對(duì)比分析，初始設(shè)計(jì)的散熱器散熱能力壓力較大，因自然風(fēng)冷散熱換熱效果有限，而空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻的換熱量比自然對(duì)流和輻射的要大到10倍[2]，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)該設(shè)備的散熱需要風(fēng)扇介入強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。除了風(fēng)扇介入外，還需在結(jié)構(gòu)上做好最優(yōu)散熱設(shè)計(jì)，所以需要仿真分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能否滿足散熱需求。

理想狀況：在最高環(huán)境溫度（55℃）下，功放單元滿負(fù)荷常發(fā)工作，1U散熱器可以滿足散熱需求。

3.熱仿真環(huán)境搭建

根據(jù)中轉(zhuǎn)臺(tái)硬件布局和發(fā)熱源位置分析，可以簡(jiǎn)化模型，在熱仿真時(shí)取散熱器、風(fēng)扇、功放管、風(fēng)扇整流蓋板為考慮對(duì)象。

仿真軟件選用6SigmaET，它是由英國(guó)Future Facilities公司開(kāi)發(fā)的新一代熱分析軟件，具備系統(tǒng)、設(shè)備、板、器件等級(jí)別的散熱設(shè)計(jì)解決能力。6SigmaET具備快速建立模型功能、查錯(cuò)功能、智能化網(wǎng)格生成功能、自動(dòng)簡(jiǎn)化模型功能。

完成仿真環(huán)境的建模，包括測(cè)試空間設(shè)置、熱源定義、材料屬性定義、風(fēng)道設(shè)置等。完成建模后，設(shè)置求解器參數(shù)：環(huán)境溫度為20℃，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-e模型。

標(biāo)準(zhǔn) k-e 模型是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率，k方程是精確方程，e方程是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。標(biāo)準(zhǔn) k-e是目前工程流場(chǎng)計(jì)算中主要的工具，適用范圍廣，比較經(jīng)濟(jì)，有足夠的精度。

仿真模型各個(gè)零件的屬性及賦值見(jiàn)表1。

表1

根據(jù)散熱器尺寸及散熱尺寸要求，選擇小尺寸大風(fēng)量高可靠性風(fēng)扇，風(fēng)扇品牌為臺(tái)灣建準(zhǔn)，型號(hào)為PMD1238PKBX-A，風(fēng)扇詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2，風(fēng)扇風(fēng)壓—風(fēng)量曲線見(jiàn)圖3。在實(shí)際中考慮到保留一定的設(shè)計(jì)余量，在熱仿真環(huán)境中設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為12000RPM。

表2

圖3 PMD1238PKBX-A曲線圖

4.熱仿真對(duì)比分析

以初始散熱器模型為基礎(chǔ)，主要針對(duì)散熱尺齒數(shù)與表面積、風(fēng)扇是否位于功放管正上方、散熱器材質(zhì)（純銅或鋁合金）、是否有導(dǎo)熱襯板、是否加風(fēng)扇整流蓋板、散熱器加高等方面進(jìn)行熱仿真對(duì)比分析。

圖4 散熱尺類型截面圖

初始散熱器的散熱尺截面圖如圖4a所示，散熱尺高45mm，基板厚度為18mm，圖4b是在4a的基礎(chǔ)上由4尺改為7尺，并在散熱尺表面增加波紋以增加空氣接觸面積，圖4c是在4a的基礎(chǔ)上將尺高增加到70mm。

根據(jù)以上對(duì)比條件，進(jìn)行系列熱仿真實(shí)驗(yàn)，在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件一致，取環(huán)境溫度為20℃，環(huán)境溫度變化不影響熱仿真實(shí)驗(yàn)效果，只需在仿真結(jié)果上累加環(huán)境溫度差值即可。熱仿真實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3

圖5 部分熱仿真散熱器表面溫度云圖

在表3中，需要關(guān)注的三個(gè)結(jié)果數(shù)值為換熱功率、芯片主表面溫度、芯片主體積溫度。在熱仿真系統(tǒng)中，達(dá)到熱平衡后，芯片主表面溫度和主體積溫度越低，芯片的壽命和穩(wěn)定性越好，芯片允許承擔(dān)的工作負(fù)荷越大；芯片的換熱功率越大，留在散熱器上的發(fā)熱功率越小，散熱器表面溫度和平均溫度越低，即：芯片主表面溫度和主體積溫度越低，換熱功率越大，整體散熱效果越理想。

在仿真建模中，風(fēng)扇整流板的作用是將吸入風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣流盡可能長(zhǎng)的在翅片溝槽內(nèi)流動(dòng)，增大與翅片表面的接觸面積，從表3的第2組和第3組仿真結(jié)果來(lái)看，這種有益作用被整流板阻礙風(fēng)機(jī)周圍熱量散失的有害作用抵消，所以為了達(dá)到最佳散熱效果，取消風(fēng)扇整流板。

部分仿真組熱平衡后散熱器表面溫度分布云圖如圖5所示。由圖5a和圖5b可以看出，在不增加散熱尺高度的情況下，將散熱尺齒數(shù)增加到7齒并增加散熱翅片表面微波紋特征，可改善散熱效果，但是這種改善不明顯。從表3和圖5c可以看出，在散熱器整體材質(zhì)為紫銅（高導(dǎo)熱系數(shù)）的情況下，功放管引起的發(fā)熱溫度被快速傳開(kāi)，功放管溫度降低明顯（下降約9℃），但散熱器表面溫度較高，相比鋁合金材質(zhì)，紫銅與空氣的換熱較差。從表3、圖5b和圖5d可以看出，采取紫銅基板和鋁合金散熱尺的組合（銅鋁復(fù)合散熱），可以將功放管溫度較好的傳遞開(kāi)，但散熱尺表面積一致，所以整體換熱功率基本一致。所以，綜合上述，采用銅鋁復(fù)合散熱并增加散熱尺高度（增加25mm），從表3的第8組數(shù)據(jù)和圖5e可以看出，熱平衡后功放管溫度較低，換熱功率較大，散熱器外表面溫升最大不超過(guò)20℃，結(jié)果較為理想。在后續(xù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)中，按類型3做的鋁合金散熱器在設(shè)備熱平衡穩(wěn)定運(yùn)行后，散熱器表面最高溫升為18.9℃，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)近似。

5.結(jié)論

1）在本散熱系統(tǒng)中，風(fēng)扇整流板沒(méi)有起到預(yù)想的效果，可以去掉；

2）在散熱尺高度不變的情況下，增加散熱尺與空氣的接觸面積可以改善散熱效果；

3）相同情況下，鋁合金與空氣的換熱效果比紫銅與空氣的換熱效果好；

4）銅鋁復(fù)合散熱（紫銅基板和鋁合金散熱翅片）效果明顯好于其他仿真數(shù)據(jù)組；

5）70mm高4齒散熱器和紫銅基板導(dǎo)熱可以在功放單元滿功率常發(fā)的情況下，將散熱器表面溫升控制在20℃以下，功放管最高溫升控制在40℃以下，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求；

6）通過(guò)后期實(shí)測(cè)第八組數(shù)據(jù)的仿真結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果接近，說(shuō)明準(zhǔn)確到位的熱仿真分析對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有著積極的指導(dǎo)意義。

[1]電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所．可靠性工程師熱設(shè)計(jì)指南[S]．1985．30-37．

[2]莊奕琪．微電子器件應(yīng)用可靠性技術(shù)[M]．電子工業(yè)出版社,1996．