某地面通信設(shè)備結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計

摘 ?要：本文介紹了某地面通信設(shè)備結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計過程，在滿足總體單位提出的結(jié)構(gòu)尺寸需求下，通過對元器件發(fā)熱量以及熱量傳播方式的分析，設(shè)計出傳導(dǎo)配合自然對流散熱機(jī)箱以及強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)箱兩種方案，并采用ANSYS Icepak軟件進(jìn)行溫度仿真驗證，通過合理設(shè)置環(huán)境條件和求解參數(shù)，計算出溫度仿真云圖，得到關(guān)鍵元器件工作溫度，結(jié)果表明兩種機(jī)箱方案均滿足散熱需求。

關(guān)鍵詞：通信設(shè)備;散熱設(shè)計;溫度仿真

中圖分類號：TN02;TN802 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0050-04

Abstract：This paper describes the heat dissipation design process for the ground communication equipment. In order to meet the structural size requirements proposed by the general unit，two kinds of conduction schemes combined with the natural convection radiator box and the forced fan box were designed by analyzing the heating and heat transfer modes of the components. Temperature simulation was performed using ANSYS Icepak software. By reasonably setting the environmental conditions and solving the parameters，the temperature simulation cloud is calculated，and the working temperature of key components is obtained. The results show that the two cabinet schemes can meet the heat dissipation requirements.

Keywords：communication equipment;thermal design;temperature simulation

0 ?引 ?言

隨著地面通信設(shè)備電路特征尺寸減小以及元器件布局的密集化，單位面積上的產(chǎn)熱量急劇增大，這對結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計提出更嚴(yán)苛需求，為保證設(shè)備不產(chǎn)生熱失效而能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，選用合適的冷卻方式與優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局將熱量耗散掉已成為產(chǎn)品研發(fā)的重要突破點。

散熱方式包含自然對流、熱輻射、熱傳導(dǎo)三種，在實際產(chǎn)品設(shè)計中需要依據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求選用合適的散熱方式以降低元器件溫度，地面通信設(shè)備常采用自然對流或者強(qiáng)迫對流散熱方式，采用自然對流散熱方式時需要對高熱耗的元器件加裝散熱冷板和導(dǎo)熱墊，擴(kuò)大散熱面積以減小散熱熱阻;采用強(qiáng)迫風(fēng)冷時需選用合適的風(fēng)扇，優(yōu)化風(fēng)道與印制板模塊布局以減小風(fēng)道阻力損失，同時又要兼容電磁兼容性與結(jié)構(gòu)三防性等其他要求。無論采用哪種設(shè)計方案，均需要采用仿真計算模擬設(shè)備散熱情況，發(fā)現(xiàn)散熱薄弱環(huán)節(jié)，在滿足整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求前提下更新結(jié)構(gòu)布局，滿足散熱需求。

1 ?機(jī)箱結(jié)構(gòu)要求

地面通信設(shè)備總體尺寸按照GB/T3047.4-1986《高度進(jìn)制為44.45mm的插箱、插件的基本尺寸系列》進(jìn)行設(shè)計[1]，符合標(biāo)準(zhǔn)19英寸2U機(jī)箱設(shè)計要求，外形尺寸為482.6mm×540mm×88mm，可直接安裝于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架內(nèi)，便于使用和維護(hù)。

內(nèi)部印制板模塊安裝牢固，并便于拆卸維修，印制板關(guān)鍵元器件在給定的室內(nèi)機(jī)柜環(huán)境中正常工作，合理控制溫升以保證設(shè)備整體熱可靠性。

2 ?散熱方式分析

設(shè)備放置于室內(nèi)配有冷卻系統(tǒng)的機(jī)柜中，工作環(huán)境較為良好，工作溫度控制為0℃～40℃，設(shè)計時取環(huán)境溫度的上限40℃。設(shè)備內(nèi)部由2塊基帶信號處理板、1塊主控板、1塊中頻信號預(yù)處理板、1個射頻信號處理單元及電源等組成。單塊基帶信號處理板熱功耗大約20W，主控板熱功耗大約12W，中頻信號預(yù)處理板熱功耗大約20W，射頻信號處理單元熱功耗大約15W，電源效率為85%，即剩余的15%轉(zhuǎn)化為熱功耗，為15W，主機(jī)熱源具體參數(shù)見表1所示。

每塊印制板含有不同的元器件，主要發(fā)熱器件為FPGA、DSP、AD轉(zhuǎn)換器，具體熱功耗如表2所示，基帶信號處理板發(fā)熱量均勻布置于整個電路板上。

根據(jù)表1可以計算出設(shè)備總熱功耗：P=102W

設(shè)備外形尺寸為：482.6mm×540mm×88mm，機(jī)箱區(qū)域尺寸為420mm×530mm×88mm，設(shè)備在實際使用時要裝入機(jī)柜中，若僅采用自然對流及輻射散熱方式，則有效散熱面積為上下蓋板。

箱體的散熱面積：S=2×（42×8.8+53×8.8）=1672cm2

表面熱流密度：Φ=P/S=6.1×10-2W/cm2

設(shè)備工作溫度為40℃，印制板發(fā)熱器件的最高工作溫度為75℃，整機(jī)內(nèi)部溫升應(yīng)控制在35℃以下。根據(jù)單位傳熱面積的熱流與溫升的關(guān)系圖[2]，在溫升35℃以下，同時滿足熱流密度6.1×10-2W/cm2時，可以采用內(nèi)部冷板傳導(dǎo)配合外部自然對流散熱或者強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種散熱方式。

3 ?傳導(dǎo)配合自然對流機(jī)箱設(shè)計

采用傳導(dǎo)配合自然對流散熱時，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，在基帶信號處理板及中頻信號預(yù)處理板主要發(fā)熱芯片上加裝冷板，其中基帶信號處理板位于數(shù)字信號處理板下方，在芯片和冷板之間粘貼厚度0.5mm、熱傳導(dǎo)率12W/mk的柔性導(dǎo)熱墊。機(jī)箱蓋板上安裝導(dǎo)熱塊，對中頻信號預(yù)處理板上主要發(fā)熱芯片進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。同時蓋板及側(cè)板開散熱槽，增大殼體散熱面積。主要散熱路徑為發(fā)熱元器件熱量經(jīng)過導(dǎo)熱墊傳至冷板，冷板繼續(xù)將熱量傳遞到蓋板，最后通過蓋板以自然對流和輻射方式耗散至機(jī)柜大環(huán)境中。

選擇ANSYS仿真軟件對主機(jī)進(jìn)行熱仿真計算。熱模型的建立：

（1）使用ANSYS Design Modeler將由UG NX7.0導(dǎo)入的機(jī)箱模型進(jìn)行簡化，略去螺釘、螺母圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細(xì)節(jié)及小插件;

（2）通過ANSYS Workbench平臺將Design Modeler簡化后的模型導(dǎo)入ANSYS Icepak軟件;

（3）按照正確的傳熱路徑，建立系統(tǒng)的熱分析模型，開啟熱輻射模型與對流模型，設(shè)置合適的離散方程、求解狀態(tài)、計算精度等;

（4）設(shè)置機(jī)箱殼體與冷板材料為鋁，表面涂鍍發(fā)射率0.9，芯片按常規(guī)封裝材料設(shè)置，PCB材料設(shè)為FR-4;

（5）建立印制板導(dǎo)軌鎖緊條與機(jī)箱框架的接觸熱阻，建立印制板元器件與冷板凸臺的接觸熱阻，均為0.56℃/W;

（6）環(huán)境溫度設(shè)為40℃;

（7）設(shè)置機(jī)箱總功耗為102W，導(dǎo)熱墊熱導(dǎo)率為12W/mk，在ANSYS Icepak中建立合適的網(wǎng)格劃分方案，檢查網(wǎng)格完好性后進(jìn)行求解。

仿真結(jié)果如圖2所示，主機(jī)溫度比較高的地方主要分布在中頻信號預(yù)處理板的FPGA上以及基帶信號處理板的FPGA上，最高溫度為73.6℃，在芯片工作溫度的范圍內(nèi)。另外，數(shù)字信號處理板中最高的芯片溫度大約為68.0℃;其余模塊溫度均小于65.2℃，滿足印制板最高工作溫度75℃的要求。

4 ?強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)箱設(shè)計

采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱時，在機(jī)箱前面板上安裝兩個風(fēng)扇，風(fēng)扇的流速依據(jù)設(shè)備發(fā)熱量與設(shè)備自身風(fēng)阻確定[3]，在后面板開有通風(fēng)孔，同時蓋板及側(cè)板開散熱槽，增大殼體散熱面積，如圖3所示。采用本方案時熱量主要由冷卻空氣直接耗散到機(jī)柜環(huán)境中，機(jī)箱殼體自然對流與輻射耗散的熱量可忽略不計[4]。

熱仿真模型建立過程與傳導(dǎo)配合自然對流方案相近，參數(shù)設(shè)置如下：

（1）使用ANSYS Design Modeler將由UG NX7.0導(dǎo)入的機(jī)箱模型進(jìn)行簡化，略去螺釘、螺母圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細(xì)節(jié)及小插件;

（2）通過ANSYS Workbench平臺將Design Modeler簡化后的模型導(dǎo)入ANSYS Icepak軟件;

（3）按照正確的傳熱路徑，建立系統(tǒng)的熱分析模型，開啟熱輻射模型與強(qiáng)迫對流模型，設(shè)置合適的離散方程、求解狀態(tài)、計算精度等;

（4）風(fēng)扇流量30m3/h，冷卻空氣溫度設(shè)為20℃，環(huán)境溫度按40℃進(jìn)行計算;

（5）抗干擾板上的芯片和導(dǎo)熱塊之間加入1.5mm厚度導(dǎo)熱墊片，熱導(dǎo)率1.5W/mk，在支架和PCB板，支架和流道之間加入接觸熱阻;

（6）設(shè)置機(jī)箱殼體材料為鋁，表面涂鍍發(fā)射率0.9，芯片按常規(guī)封裝材料設(shè)置，PCB材料設(shè)為FR-4。

仿真結(jié)果如圖4所示，主機(jī)溫度比較高的地方仍然是基帶信號處理板的FPGA上，大約72.3℃;中頻信號處理版、數(shù)字信號板、主控板上元器件溫度均小于65℃，在元器件最高工作溫度75℃的范圍內(nèi)，滿足工作要求。

5 ?結(jié) ?論

綜上所述，本文從整機(jī)工作環(huán)境、內(nèi)部元器件發(fā)熱量、散熱路徑等方面綜合分析，設(shè)計出兩種符合外形尺寸及散熱需求的結(jié)構(gòu)方案，并通過仿真予以驗證，滿足元器件最高工作溫度要求，達(dá)到總體單位提出的技術(shù)要求。為進(jìn)一步改善散熱性能，也可將冷板材料選用為銅以提高熱導(dǎo)率，增大風(fēng)扇冷卻空氣流量以降低整體溫升，但同時會增加整機(jī)重量與功耗，總之需要合理平衡散熱設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，提升產(chǎn)品綜合性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周建軍，葛躍進(jìn).衛(wèi)星監(jiān)測站接收機(jī)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計 [J].機(jī)械工程師，2007（12）：106-108.

[2] 趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 張兆順，崔桂香.流體力學(xué) [M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4] 楊世銘.傳熱學(xué)基礎(chǔ) [M].第2版.北京：高等教育出版社，2003.

作者簡介：鄭曉東（1991-），男，漢族，黑龍江海倫人，結(jié)構(gòu)設(shè)計師，助理工程師，研究生，研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。