某户外电子设备的热设计及仿真试验

于 斌

(中电科仪器仪表有限公司，山东 青岛 266555)

0 引 言

某户外使用的电子设备，对环境适应性要求较高，工作温度最高要求55 ℃，并且还有防雨要求，整机功耗100 W。整机内含有单片功耗40 W的集成电路器件，在整机尺寸和重量有严格限制的情况下，给整机的热设计带来了极大的挑战。笔者通过对此典型户外电子设备的热设计和仿真试验过程介绍，为该类电子设备的热设计提供有利的参考[1]。

1 整机初步设计方案

此设备内部主要包含电源、天线、接收模块、信号处理模块以及借口等。设备外形如图1所示。

图1 设备外形

整机内部各主要器件和模块的功率如表1所列。芯片1为整机中的核心器件，功耗大，功耗占整机的40%左右，并且尺寸较小，功率密度大，是此机热设计的重点和难点。

表1 主要器件及功率

2 热仿真模型建立

2.1 模型处理和简化

为便于进行仿真模型的建立，提高仿真的精度和节省计算时间，对设备的整体形状以及细节部分进行适当简化，去掉圆角、倒角、拔模斜度等特征。各接口和调试口进行简化后，对应位置的空洞以实体进行填充。简化后的模型如图2所示。

图2 简化后模型

2.2 建立仿真模型

该设备后壳部分为金属材质，选用铝合金材料，重量轻导热性能好。前壳部分为保障天线接收性能，为非金属材料，导热系数极低，约为0.4W/(m·k)

芯片1～5布置在印制板上，如图3所示。

图3 芯片布局

芯片1为该设备的关键器件，其功耗较大，需要重点考虑散热设计措施。为实现设计目标，本方案采用大面积铜板与器件连接，通过传导将热量快速传出，然后将铜板与外壳进行紧密贴合连接。芯片1的热传导路径为：芯片外壳→铜板→导热垫→后壳→空气。

由于该设备属于户外工作，需要防雨设计，因此整机首选自然散热方式。整机通过天线罩和后壳以及密封垫形成封闭体。后壳上加大面积散热肋，增加表面积，提高散热效果。电源模块、接收模块1和接收模块2直接与后壳连接，其间加装导热垫。

3 热仿真分析及结果

3.1 仿真结果云图

整机内各模块以及芯片的温度云图，分别如图4和图5所示。

3.2 结果分析和设计优化[2-3]

通过仿真得到各模块及关键芯片的温度值，见表2所列。由各器件以及印制板温度云图分布可知，大功率芯片1的壳温为89.7 ℃，该器件的结壳热阻为Rjc=0.16 ℃/W。

Tj=Tc+Rjc×P=89.7+0.16×40=96.1(℃)

式中：Tj为芯片结温(℃)；Tc为芯片壳温(℃)；Rjc为芯片的结壳热阻(℃/W)；P为芯片功耗(W)。

图4 整机温度云图 图5 印制板芯片温度分布

可知芯片的结温约为96.1 ℃，低于芯片规定的110 ℃的最高工作结温要求。

表2 主要器件仿真温度值表

整机采用自然散热，内部封闭，空气的处于内部循环状态。达到热平衡状态时，设备内部各处的空气温度基本一致，顶部比底部稍高1 ℃左右，符合实际情况。

芯片1上使用的铜板散热器尺寸对芯片的散热有较大影响，设置多种尺寸的铜板散热器进行仿真，对其进行优化，找到最优的结果。由于整机厚度有严格限制，铜板散热器的厚度只能限制为3 mm，因此优化仿真只针对其长宽进行。芯片为正方型尺寸，铜板散热器亦设计为正方形。优化设计结果如表3所列。

表3 芯片1铜板散热器尺寸优化

铜板散热器尺寸在50×50×3(mm)时，芯片1的仿真温度最低，以此为准进行散热器设计。

4 测试试验[4-5]

为验证仿真结果的精确程度，在设备的热测试过程中，记录部分器件的温度值，进行对比分析，见表4所列。

表4 仿真与实测温度对比表

由表3可知，实测值与仿真值的差值最大为2.4 ℃。这是由于仿真模型简化过程和参数设置，以及实际受测量中误差因素的影响。但误差值均在3 ℃以内，并且实测值与仿真值均满足元器件的使用要求。

通过表2和表3的对比分析，结果表明在设备研制阶段利用仿真对其进行热分析，可较为准确地估算大功耗器件的工作温度。对于关键芯片进行散热器的优化设计，能够辅助设计师找到最优的散热器形状和尺寸。同时对设备结构设计和PCB板元器件布置的合理性进行评判，并提出修改措施。

5 结 论

重点对某户外电子产品进行热设计分析及试验，通过热仿真分析得出设备内部主要发热器件的温度分布，对于整机的热设计及试验有重要的指导意义。通过仿真分析，优化了电路板布局和整机内部结构及机壳散热翅片设计。

(1) 该户外电子设备热设计，满足环境的使用条件，证明了方案的可行性。

(2) 通过实际验证测试得到的数据对比和优化分析，证明本文采用的自然散热方案能够满足本设备最高55 ℃的工作要求。

(3) 在产品的实际户外应用过程中，由于自然风的存在，等同于在设备外部采取了一定的强迫风冷措施，且风速越高对设备的散热越有利。