基于仿生原理的通訊基站增強(qiáng)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

厲建峰

(中興通訊股份有限公司南京研究所，江蘇 南京 210012)

0 前言

新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中5G建設(shè)提速規(guī)模商用是目前中國(guó)通訊行業(yè)的主題，而通訊基站內(nèi)部芯片功耗的不斷增加帶來(lái)了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：怎么提高散熱的效率，特別是各種新型化需求信息以及流量經(jīng)營(yíng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，使得這些問(wèn)題更加突出，為更好的解決這些問(wèn)題適應(yīng)通訊服務(wù)的不同場(chǎng)景，基站建設(shè)形態(tài)正發(fā)生著深刻轉(zhuǎn)變，其中也包含基站形態(tài)基于散熱的優(yōu)化。本文提出了將仿生的概念融入現(xiàn)代通信基站的設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析仿生學(xué)的原理選取適合通訊基站應(yīng)用的仿生結(jié)構(gòu)，比較幾種仿生結(jié)構(gòu)在基站散熱方面的實(shí)際效果，得出基于仿生原理的通訊基站增強(qiáng)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，為通訊基站散熱優(yōu)化提供一個(gè)重要思路。

目前仿生學(xué)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)逐漸應(yīng)用，學(xué)術(shù)方面的論證集中于結(jié)構(gòu)力學(xué)加強(qiáng)方面，很少有對(duì)通訊基站仿生散熱仿真方面進(jìn)行研究。本文借鑒仿生原理設(shè)計(jì)了五種基站散熱的散熱加強(qiáng)布局，對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化。

1 仿生原理應(yīng)用在通訊基站領(lǐng)域探索

隨著通訊業(yè)的快速發(fā)展，電子芯片的性能提升到一定的高度，其熱流密度會(huì)越來(lái)越高，傳統(tǒng)基站形態(tài)散熱方式已經(jīng)接近于極限，達(dá)到一定高溫的情況下，單個(gè)器件的溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)的可靠性會(huì)降低50%，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備失效并引起通訊事故，因此發(fā)展更高性能的散熱技術(shù)成為迫切需要解決的問(wèn)題。

在自然界中的生物為適應(yīng)不同環(huán)境，都有著各自獨(dú)特的散發(fā)熱量的方式。水生動(dòng)物例如魚(yú)，利用魚(yú)體外形或鰓型結(jié)構(gòu)減少阻力提升流動(dòng)性；草本植物或樹(shù)木根系和葉脈是植物適應(yīng)環(huán)境而逐漸進(jìn)化出來(lái)的最小運(yùn)輸路徑。高效傳輸?shù)姆植罹W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的樹(shù)狀分形網(wǎng)在傳熱介質(zhì)中得到廣泛的應(yīng)用；蜂窩所需材料簡(jiǎn)單、可使用空間大，通過(guò)蜂窩狀改造可以吸取其簡(jiǎn)易和空間密集的優(yōu)勢(shì)，增大對(duì)流面積。波浪仿生已經(jīng)在飛行器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同樣可以借鑒到散熱領(lǐng)域。

本文選取了五種典型的基站殼體的散熱形式，包括矩型、鰭型、根型、窩型和波浪型，分別對(duì)通訊基站散熱仿真并分析結(jié)果，通過(guò)兩種維度分析結(jié)果：相同芯片熱功耗情況下的仿真結(jié)果和不同芯片熱功耗情況下的仿真結(jié)果，希望通過(guò)仿真溫度結(jié)果和溫度云圖找到強(qiáng)化散熱的優(yōu)選方式，為基站類的設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 設(shè)計(jì)齒形圖

2 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在基站散熱方面的效果比較

2.1 溫度仿真數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通訊基站仿真分析的邊界條件：初始環(huán)境溫度20 ℃；殼體壁厚初定為4 mm，材料鋁合金；對(duì)應(yīng)散熱鰭片厚度3 mm，高度15 mm，間距8 mm；設(shè)定芯片尺寸40*40 mm，熱功耗從10 W到50 W逐步增加得出溫度仿真分析結(jié)果；設(shè)置對(duì)流系數(shù)為5 W/(m2*K)。通過(guò)初始仿真溫度來(lái)對(duì)比整體散熱效果(相對(duì)比較法)。

圖2 基站仿真設(shè)定圖

齒形結(jié)構(gòu)10W芯片20W芯片30W芯片40W芯片50W芯片矩型齒24.629.133.638.242.8鰭型齒24.428.833.137.541.9根型齒24.228.432.636.840.9窩型齒24.228.732.937.141.2波浪齒24.128.332.536.540.0

分析結(jié)論：

相同情況下，不同形狀齒散熱能力存在差距，其中波浪齒形式的比其他形齒有更優(yōu)秀的散熱能力，不同結(jié)構(gòu)形式散熱能力趨勢(shì)整體上來(lái)看不隨芯片功耗變化；隨著芯片熱流密度增加，不同齒形換熱能力差異越來(lái)越明顯，而且熱流密度越大，導(dǎo)致的不同散熱齒形的溫度差異越大。例如，芯片10 W，波浪齒較矩型齒下降0.5 ℃，但是到了50 W，下降達(dá)到2.8 ℃，因此此種形式更加適合于熱耗變化較大的芯片。對(duì)于涉及到高功耗高熱流密度芯片設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到成本和加工工藝難易度，原則上選用適合的散熱齒型很重要。

圖3 芯片熱功耗50W結(jié)果圖

對(duì)于芯片的溫升指標(biāo)，可以明顯的看到，隨著齒形的變化，溫升結(jié)果各有不同，從齒形的維度分析，溫升隨著芯片熱功耗的增加，波浪齒溫升相對(duì)較小。比如，50 W情況下，波浪齒的溫升20℃較矩形齒22.8℃小，對(duì)芯片性能的保護(hù)會(huì)更好。

總體上看，根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，加工工藝實(shí)現(xiàn)，高功耗芯片的散熱等多個(gè)角度分析，波浪齒的結(jié)構(gòu)較為合適普通基站的設(shè)計(jì)。同時(shí)，根型齒的結(jié)構(gòu)與波浪型齒散熱效果接近，可以參考在部分場(chǎng)景下選用。

2.2 溫度仿真云圖分析

以50 W芯片熱耗為例，通過(guò)仿真結(jié)果的云圖(見(jiàn)表2)，可以得到下面結(jié)論：

首先，從散熱途徑上面分析，其中矩型齒、鰭型齒分布方向與整體長(zhǎng)度延伸方向一致，對(duì)于多芯片散熱來(lái)說(shuō)，可以在齒型方向上布局，避免與齒型方向不一致的布局方式，對(duì)散熱目標(biāo)的達(dá)成有利；其次，根型齒、波浪齒和窩型齒云圖顯示較為圓整，適合于較高功耗的芯片散熱場(chǎng)景，在基站設(shè)計(jì)芯片布局較為集中的場(chǎng)景下可以優(yōu)先選用。

表2 穩(wěn)態(tài)溫度云圖比較(50W)

以上分析得知，可以允許根據(jù)熱源區(qū)域熱流密度分布情況，調(diào)整芯片的布局方式和散熱殼體齒型的選擇，對(duì)于在局部熱流密度較大的區(qū)域，甚至更改芯片對(duì)應(yīng)區(qū)域的散熱齒和密度來(lái)調(diào)整散熱分布形式，類似的調(diào)整取決于內(nèi)部高功耗芯片的布局與設(shè)計(jì)。

3 總結(jié)

一般來(lái)說(shuō)，電子元器件的失效幾率隨著工作溫度的升高而急劇增加。特別是目前通信5G設(shè)備的大范圍使用，基站的散熱成為了關(guān)鍵因素。只有對(duì)整體基站進(jìn)行高效的散熱設(shè)計(jì)，將核心芯片的工作溫度控制在安全范圍，才能有效保障通信整機(jī)設(shè)備擁有較長(zhǎng)的工作壽命。本文針對(duì)五種基站散熱的加強(qiáng)布局，對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化，得出的結(jié)論可以用于通信基站散熱優(yōu)化的參考，并為后續(xù)通信設(shè)備的發(fā)展提供一些借鑒。