某型多功能设备的热设计及仿真

何定全，潘科，金鑫，赵镇荣，江浩然

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳 621000)

0 引言

近年来，电子设备的小型化、集成化、高功率及多功能成为发展主流。从器件级到组件级，从组件级到系统级，随着组装密度的提高，热损耗也在不断增加。有研究表明器件级的热流密度仅比太阳表面的热流密度低两个数量级[1]，如此高的热流密度，若没有合理的控制技术，必将损坏整个设备。据统计，电子设备的失效有55%是温度超过允许值而引起的[2]。

为了保证电子元器件和设备良好而稳定的工作，电子领域的热分析和控制技术得到了普遍的发展和重视。目前，对电子设备的热控制分析技术主要有基于经典公式推导的理论计算[3-4]、基于计算机分析方法的数值仿真[5-6]及实验测试[7-8]等方法。其中基于经典公式推导的理论计算常常需要对求解问题或模型进行一定假设简化和理想化，仅考虑部分因素的影响，而没有考虑本身流场及具体边界条件对传热过程的影响，获得的结果较为线性、简单且具有局限性。传统的实验测试方法准备周期长、投入成本大，且需要经过专门策划并配套相应设备、场地及人员，为了获得可信结果需要反复迭代实验。因此基于计算机分析方法的数值仿真已成为电子设备热控分析技术的主流，数值仿真的物理模型是一个完整模型，并没有将影响因素假设简化，它从细节上去描述整个传热过程，采用能量守恒、质量守恒及动量守恒等方程去控制整个求解迭代过程，并考虑具体边界条件、外部环境及实际流场分布等因素的影响，获得的结果更接近实际情况。

本文以某型多功能设备为研究对象，在实现该设备复杂通信功能的基础上，充分考虑设备结构、工艺、制造及使用环境条件等因素，先根据该设备的对流换热系数对其散热冷却方式进行了确定，并对各个功能部件具体的热耗分布进行了分析说明，然后结合设备结构空间布局，使用导热硅脂、导热垫、导热凸台及散热齿等具体手段，保证将热耗充分控制并迅速传递出去，最后采用有限体积法对该设备的散热过程进行数值仿真，以验证整个设备热设计的合理性。

1 散热方式

某型多功能设备主要实现信号发射、信号接收及通信对抗等功能，涉及频段较宽，通道数量较多，全功能满功率工作时总热耗为99.48W。设备基本外形如图1所示，最大外形尺寸为354mm×354mm×79mm。

图1 多功能设备外形

通常，对元器件或设备与外部环境之间的对流换热过程所传递的能量，可按牛顿方程来定义。它假设设备的固体表面和流体间的换热量与它们之间的温差成正比，其具体方程表达式为：

式中：Φ为总换热量(W)，hc为换热系数(W/(m2·℃))，A为固体壁面换热面积(m2)，tw为固体壁面温度(℃)，tf为流体温度(℃)。

多功能设备辐射阵面天线罩采用传热效率低的复合材料，此面换热面积将暂不考虑，结合图1外形得到多功能设备的固体壁面换热面积为0.209 7m2。多功能设备使用的元器件种类、数量较多，正常工作时功放管以外的元器件温升不得超过40℃。将总热耗、换热面积及温升代入上式，得到多功能设备正常工作需要的换热系数为11.86W/(m2·℃)，而静止空气的对流换热系数为6W/(m2·℃)，显然自然冷却已无法实现多功能设备的散热，本文将采用强迫风冷的方式对设备热耗进行分析控制。

2 热耗分布

多功能设备结构空间布局如图2 所示，设备电路主要包含阵面天线、射频电路A、射频电路B、数字电路、电源电路及功分网络。

图2 多功能设备空间布局

阵面天线为无源组件，主要实现信号的发射与接收，将不对其进行热耗考虑；射频电路A 热耗主要包含推动级损耗、增益放大损耗、功放损耗及其他芯片损耗等，其总热耗为47.17W；射频电路B 热耗主要包含低噪放损耗、时钟本振损耗、干扰电路损耗及其他芯片损耗等，其总热耗为19.05W；数字电路热耗主要包含处理器损耗、转换器件损耗、其他芯片损耗及电路损耗等，其总热耗为18.7W；电源电路热耗主要包含电源器件损耗、其他芯片损耗及电路损耗等，其总热耗为9.5W；功分网络热耗主要包含电路损耗及器件损耗，其总热耗为5.06W。多功能设备各个功能电路具体热耗分布如表1所示。

表1 设备热耗分布

3 热控制设计

多功能设备使用要求为常温环境20℃工作时，内部元器件最高温升不超过40℃，功放管温升不超过120℃。该设备热控制设计的基本任务是在热源与热沉之间获取一条最优路径的低热阻通道，保证热量在规定的环境条件下快速传导出去，以满足设备的使用要求。

根据多功能设备空间布局，其具体热控制方式为：设备腔体及盖板材料采用铝合金5A06，天线罩材料采用环氧玻璃钢，局部支撑结构材料采用PMI 泡沫，紧固螺钉材料采用不锈钢。腔体整体采用数控加工，最小刀具圆角1.5mm，腔体侧壁厚度7.6mm，中间分腔壁厚2mm，底部厚度3mm，底部粗糙度小于3.2，腔体局部镀金，镀金后粗糙度小于1.6，其余表面导电氧化处理。盖板采用激切加工，小盖板厚度1mm，大盖板厚度1.5mm，盖板表面导电氧化处理。天线罩采用阳模一次固化成型，厚度1.7mm，表面喷漆处理。局部支撑结构采用数控加工，厚度渐变，加工及装配前须烘干除湿。阵面天线与后端对插，并通过螺钉安装在腔体正面盖板上。射频电路A 通过螺钉安装在腔体底部正面、射频电路B通过螺钉安装在腔体底部反面，电路表贴发热器件背面设置金属化阵列孔，其余发热器件通过螺钉安装在腔体底部，并在安装贴合面垫铟箔。电源电路及功分网络通过螺钉安装在腔体反面盖板上，所有安装贴合面涂导热硅脂，电路表贴发热器件背面设置金属化阵列孔，并加导热垫。数字电路通过金属凸台悬空安装在腔体反面盖板上，发热器件表面涂导热硅脂并加导热垫。采用4个12V直流风扇对设备进行强迫风冷，风扇转速2 400，并设计散热齿配合风扇，散热齿外形尺寸4mm×4mm，齿高有11mm及26mm两种。

4 数值仿真

在电子设备工程领域，数值仿真因具有速度快、节约成本且能获得更准确结果的特点，已成为评估设备散热是否合理的主要手段。多功能设备数值仿真过程主要包含建立热模型、模型求解及结果分析三个部分内容。具体仿真过程如下。

4.1 建立热模型

建立热模型的主要方式为直接建模及导入建模。使用仿真软件的模型工具一步步建立仿真模型即为直接建模；将外部CAD模型导入仿真软件修复后获得仿真模型即为导入建模。因多功能设备布局的复杂性，本文将采用直接建模与导入建模相结合的方式来获得多功能设备的热仿真模型，且为了建立准确而干净的热仿真模型，在不影响设备散热路径的原则下，将删除螺纹孔、螺钉及螺母，删除小特征尺寸的圆角及倒角，删除与热仿真无关的电缆及连接器等。

4.2 模型求解

模型求解包含求解设置及求解计算两部分内容。求解设置需要根据实际问题设置相关模型参数，如环境条件、自然对流参数、辐射模型、湍流模型及边界条件等；求解计算则在设置完成后由计算机自行完成。

为了保证多功能设备热模型求解的精度及速度，须根据该设备实际使用条件设置模型参数，具体设置内容为：环境温度20℃，流体材料为空气，固体材料为铝合金；求解变量包含流场、温度场及重力矢量，流体流态为湍流，模型方程为增强两方程；开启辐射换热，辐射模型为离散坐标辐射模型；开启自然对流换热，重力方向为Z向，模型方程采用布辛涅司克假设简化密度；压力项离散格式为标准格式，动量项及温度项离散格式均为一阶格式；压力项松弛因子取0.3，动量项松弛因子取0.7，温度项松弛因子取1；求解器为稳态求解器，求解收敛标准是能量方程、质量方程及动量方程同时收敛；按热耗分布表进行热耗设置，按实际情况设置材料参数、风扇曲线及计算区域边界；采用非结构网格生成器进行网格生成，并采用装配体技术控制网格数量及质量；设置温度监控点以判断网格数量质量的合理性及计算结果的收敛性。

完成上述求解设置后，即可进行多功能设备热模型求解计算，从而获得相关计算结果。

4.3 结果分析

环境温度20℃时，多功能设备外表面温度分布云图如图3所示。从图中可知，最高温度为30.91℃，位于散热齿下部金属板；最低温度为20.2℃，位于风扇进风口。除去风扇，多功能设备外表面温度范围为25℃-30.91℃，温度梯度较小，说明该设备内部热源布局均匀分散，能及时通过传热路径将产生的热量传导至外表面。

图3 多功能设备外表面温度分布

环境温度20℃时，多功能设备内部电路温度分布云图如图4-图6所示。从图中可知，射频电路A最高温度为45.35℃，位于印制板表面0.87W 芯片上；射频电路B 最高温度为49℃，位于印制板表面1.1W 芯片上；数字电路最高温度为45.16℃，位于印制板表面6.5W 处理芯片上。显然，使用环境温度20℃时，各电路温升均未超过40℃，可以正常工作。

图4 射频电路A温度分布

图5 射频电路B温度分布

图6 数字电路温度分布

多功能设备内部共使用5只功放管，从图7可知，功放管最高温度为37.52℃，该最高温度为功放管外表面温度。功放管热耗为8W，具有独立封装，封装热阻为6.3℃/W，利用热阻定义计算得到功放管内部温度为87.92℃。显然，使用环境温度20℃时，功放管温升未超过120℃，可以正常工作。

图7 功放管温度分布

5 结论

本文对某型多功能设备热控制进行了设计，并采用有限体积法对该设备的散热过程进行了数值仿真，仿真结果表明该设备在常温环境20℃下全功能满功率工作时，内部元器件最高温升未超过40℃，功放管温升未超过120℃，均可正常使用，说明整个设备热设计合理，能及时将内部热量传导至外部环境。