某機(jī)載雷達(dá)電源波控器熱仿真分析

劉勇 劉紹輝 杜映洪

（中科芯集成電路有限公司 江蘇省無錫市 214072）

當(dāng)電子設(shè)備正常工作時(shí)，元件和設(shè)備的對(duì)外輸出有效功率僅為整個(gè)產(chǎn)品電功率的一部分，給有效功率常見以熱能的形式向外發(fā)散，從而到造成電子元件和設(shè)備溫度升高。類似FPGA 芯片，其輸入功率主要用于運(yùn)算，根據(jù)能量守恒定律，除IO 引腳微弱功率的輸出，其余全部能量轉(zhuǎn)化成熱量輸出。伴隨電子元器件及電子設(shè)備功率密度的不斷提高，芯片級(jí)的熱量密度已經(jīng)高達(dá)100W/cm2。

工業(yè)級(jí)芯片結(jié)溫100 ～125℃，軍工級(jí)的可以達(dá)到150℃，但是若不采用合理的散熱技術(shù)，即使芯片溫度沒有達(dá)到結(jié)溫溫度，長期工作在高溫下芯片失效率也會(huì)大幅度增加。傳統(tǒng)思路是根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和積累經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)樣品，試裝完成后用高低溫箱模擬高溫溫度環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，然后根據(jù)驗(yàn)證結(jié)論進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而得到滿足要求的設(shè)計(jì)。但是這種方法需要較長研制周期和較大的成本。

實(shí)際研發(fā)設(shè)計(jì)中，合理使用熱分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算可以提高產(chǎn)品一次開發(fā)的成功率，減少開發(fā)產(chǎn)品周期，降低研發(fā)成本。某機(jī)載雷達(dá)電源波控器為后面的TR 提供基準(zhǔn)頻率和電源，其發(fā)熱量較大，對(duì)其熱設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真計(jì)算和驗(yàn)證有重要意義。本文通過對(duì)電源波控器內(nèi)部進(jìn)行傳熱分析，利用仿真軟件進(jìn)行熱耗設(shè)計(jì)計(jì)算、散熱仿真、熱場處理在內(nèi)的熱分析。以確定元器件工作溫度是否在允許的正常溫度范圍內(nèi)，判斷結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)是否滿足散熱要求。

1 方案描述

電源波控器主要功能是給雷達(dá)TR 組件提供基準(zhǔn)頻率、接受信號(hào)并輸出雷達(dá)。還有一個(gè)重要功能為TR 組件提供電源、同時(shí)為本身接收、轉(zhuǎn)換、發(fā)射信號(hào)模塊提供電源。同時(shí)該電源波控器還需要考慮其在雷達(dá)內(nèi)部安裝，GPS 天線的安裝等。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：電源波控器外形圖

外形尺寸 (160×192×52.5)mm。殼體采用5A06 防銹鋁，整體密封。設(shè)備內(nèi)包括一塊射頻板、數(shù)字板和電源板。其中射頻板和數(shù)字板上器件發(fā)熱量極少，不需要散熱。電源板上有4 塊DC 轉(zhuǎn)換模塊，將28V 輸入電壓轉(zhuǎn)化為12V、5V 等分別供給TR 組件和射頻板、數(shù)字板。4 塊模塊功耗分別為6W、2W、2W、0.5W。內(nèi)部電源模塊殼溫(bottom)最大允許溫度為85℃。

2 設(shè)備內(nèi)部傳熱分析

2.1 熱傳導(dǎo)

電源模塊中電源磚、轉(zhuǎn)化芯片與印制板、印制板與模塊外殼，芯片與散熱臺(tái)之間都屬于熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是由于設(shè)備內(nèi)部直接接觸，并有溫度差產(chǎn)生的熱傳遞現(xiàn)象。

熱傳導(dǎo)規(guī)律由熱力學(xué)定律傅里葉定律確定，表示單位時(shí)間內(nèi)流過給定截面的熱流量，其與溫度梯度和截面面積成正比，傳遞路徑與溫升方向相反。熱傳導(dǎo)表達(dá)式為：

其中：

Q 為熱傳導(dǎo)熱流量，W；

λ 為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

A 為垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，m2；

公式中的負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度梯度相反。

2.2 對(duì)流換熱

芯片、殼體與周圍空氣之間屬于對(duì)流換熱。對(duì)流換熱是指流體流過固體表面，由于不同界面有溫差而產(chǎn)生的熱量互相交換的過程。通過對(duì)流進(jìn)行的熱交換被分成自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流，其中自然對(duì)流是由于溫度差異導(dǎo)致流體密度差別引起流動(dòng)的，強(qiáng)迫對(duì)流是由于壓力差導(dǎo)致的流動(dòng)。

影響對(duì)流換熱的因素很多，主要包含：流體流動(dòng)狀態(tài)、流體本身的物理特性、換熱面的因素。

對(duì)流換熱可以使用牛頓冷卻公式表達(dá)：

Q=hcA(tw-tf)

其中：

Q 為對(duì)流交換熱量，W；

hc為對(duì)流換熱系數(shù)（W/(m2·℃)）；

A 為壁面的有效對(duì)流換熱面積，m2；

tw為固體表面的溫度，℃；

tf為冷卻液體的溫度，℃；

2.3 熱輻射

輻射熱交換包括由于溫度差異而在設(shè)備內(nèi)部器件之間進(jìn)行輻射熱交換和設(shè)備外部輻射熱交換。

輻射熱量采用斯蒂芬-波爾茲曼定律

式中，ε 為輻射黑度或發(fā)射率，指物體對(duì)外進(jìn)行熱輻射能力與同物體同溫度下，物體為黑體時(shí)熱輻射能力力之比，其值總是不大于1，且與物體構(gòu)成、溫度情況及表面粗糙狀況等有關(guān)。

3 自然散熱仿真模型的建立

根據(jù)客戶要求，電源波控器是安裝在雷達(dá)罩內(nèi)部，只能通過自然對(duì)流散熱。

（1）設(shè)計(jì)模型是在SolidWorks 設(shè)計(jì)軟件中建立的，由于Icepak 軟件無法識(shí)別其他三維軟件設(shè)計(jì)模型，需要在ansys Design Modeler 模塊中應(yīng)用Electronics 功能將其轉(zhuǎn)化為IceBodies。

（2）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)定波控器所有結(jié)構(gòu)件的材料特性，包括熱導(dǎo)率、比熱容、密度等。

（3）輸入所有發(fā)熱模塊的發(fā)熱功耗。

（4）在Icepak 中加載自然對(duì)流仿真區(qū)域，根據(jù)官方對(duì)自然對(duì)流散熱規(guī)定。假設(shè)設(shè)備的特征尺寸為L，設(shè)備上部空間，cabinet 邊界距離設(shè)備模型外壁距離至少為2L；而在設(shè)備模型下部，cabinet邊界距離設(shè)備模型外壁距離至少為L；其他四個(gè)方向與設(shè)備模型外壁的距離至少0.5L。同時(shí)在cabinet 屬性中，將六個(gè)面都設(shè)置成opening，opening 設(shè)置溫度與環(huán)境溫度一致。

4 網(wǎng)格劃分

利用Icepak 對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于腔體非基礎(chǔ)模型，必須采用Mesher-HD 類似劃分，X 和Z 方向最大尺寸設(shè)為5mm，高度Y 方向最大尺寸設(shè)為1mm，最小間隙為0.2 mm。網(wǎng)格劃分好后，首先檢查各模塊網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格模型與真實(shí)熱模型相同程度；然后，檢查各模塊之間的間隙中是否劃分有足夠的網(wǎng)格數(shù)，因?yàn)樾〉拈g隙中速度的變化大，其勢能函數(shù)與流動(dòng)函數(shù)有較大的梯度改變，必須有足夠的密網(wǎng)格數(shù)才能確保計(jì)算精度；最后，檢查網(wǎng)格的長細(xì)比值、網(wǎng)面對(duì)齊情況和最小體積大小，在保證求解精度的前提下盡可能減少網(wǎng)格數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間。網(wǎng)格劃分完成后的模型如圖2所示。

圖2：ICEPAK 熱分析網(wǎng)格劃分

5 分析計(jì)算

環(huán)境溫度根據(jù)客戶要求最高為60°，根據(jù)軟件估算的瑞利數(shù)為4.47×106，普朗特?cái)?shù)數(shù)0.708，設(shè)置模型的流體狀態(tài)為湍流，并采用雙零方程計(jì)算模型，同時(shí)進(jìn)行流場和溫度場計(jì)算,設(shè)備內(nèi)部和外部流體為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣，外部整體環(huán)境溫度60℃，設(shè)置求解器求解迭代步數(shù)500 步，收斂容差Flow 設(shè)定0.001，Energy 設(shè)定為1×10-7，求解產(chǎn)品溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度梯度。

6 求解結(jié)果分析

查看設(shè)備殼體、電源板橫切面的溫度情況，見圖3。

圖3：殼體溫度分布

圖3中可見設(shè)備殼體最高溫度約為66℃。且右側(cè)壁和底面靠近電源板位置溫度較高，表明設(shè)備電源芯片發(fā)熱主要通過腔體右面?zhèn)缺诤蜌んw地面向外對(duì)流散熱。

電源模塊bottom 中，28V 轉(zhuǎn)12V 電源模塊位置點(diǎn)溫度最高，最高為70.3°，低于芯片殼體溫度不高于85°的要求。電源波控器在自然散熱條件下可以安全工作。

7 結(jié)論

電源波控器樣品配裝好后進(jìn)行高低溫試驗(yàn)驗(yàn)證,通過紅外測溫儀器測量設(shè)備在高溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)殼體溫度,殼體溫度約為68°。實(shí)際測量溫度與仿真溫度很接近,說明采用仿真的方法有很高的準(zhǔn)確性。利用Icepak 提供的熱仿真計(jì)算功能,經(jīng)過建立設(shè)備模型,對(duì)設(shè)備進(jìn)行熱分析,計(jì)算出電子設(shè)備的內(nèi)部溫度梯度場,可以快速確定散熱結(jié)構(gòu)是否滿足散熱需求,提前確定樣件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),可以有效降低樣機(jī)試制的風(fēng)險(xiǎn),提高了項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率。