某型功放模块散热设计研究

1 前言
    随着功放技术的不断进步，功率密度不断地提高，功放模块体积也随之大大缩小。模块体积不断的缩小，要求产品结构必须紧凑，而热设计又制约着结构设计，在满足热设计要求的前提下，通过合理、正确地空间布局，最大限度的压缩模块空间以提高模块的功率密度恰好是热设计优化的主要任务。
    在大功率情况下，散热设计通常采用强制风冷方案。影响散热效果的主要因素包括：（1） 与功放模块配合的底板厚度；（2）散热肋片厚度；（3）肋片间距；（4）散热器与风扇间的距离，这个因素对其风扇出口流场均匀度和风压损失影响较大；（5）并联风扇之间的间距。
2 热设计仿真技术
    针对电子设备热产生机理与传播方式，必须对电子设备的热场分布进行分析研究，采用合理的热设计方法，保证电子设备在允许的温度范围内工作。电子冷却分析软件通过模型建立、模型求解和结果解释三方面将电子产品的热效应分析放在了设计阶段，以期解决如下问题：优化电子系统内结构设计参数；优化电子系统强制对流和自然对流的冷却方案。电子产品热设计中，计算仿真软件得到了广泛应用，其在操作界面、计算精度和计算速度等方面都已成熟。
    目前，在电子冷却方面比较突出的两个产品是Flotherm 和Icepak ，与前者相比，Icepak 具有如下特点：
    采用非结构化网格，能够针对复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格，有多种网格生成方法，能够满足现代电子产品设计中几何形状越来越复杂的要求。
    采用FLUENT5的非结构化网格技术和解算方法，采用了多种高分辨率的格式，如TVD 格式等，保证了工程问题的计算精度。
    提供了丰富湍流模型和先进的热辐射模型（如DO 模型），可以模拟自然对流、强制对流和混合对流等流动现象。
    ICEPAK是基于有限体积法离散方法的新一代热设计仿真软件。它可以模拟真实的温度场、压力场和速度场，帮助设计师确定合理优化的方案，从而提高设计水平、降低成本、大大缩短项目研制的周期。
3 功放模块的散热设计与分析
    功放模块的温度控制，主要是控制功率管的结温。生产厂商一般将器件的最高结温规定为90℃-150℃。可靠性研究表明，对于使用功率元件的电子设备因长期通电使壳体温度超过90℃， 从而导致故障率大大增加。故要求功率管壳体温度，即散热器底板温度（先忽略安装时的接触热阻）应低于90℃。基于以上的散热要求，将功放模块单独设置在单元盒中，再与平板散热器配合安装。功放模块工作时的发热功率共约为400W ，功率相对较大，因此单靠散热器自然冷却是不能完全解决它的冷却问题，为此设置两套风机对散热器进行强制风冷。散热器选择重量轻、导热性好的铝合金材料；在散热器材料确定的条件下，底板的厚度会影响其本身的热阻，从而影响散热器底板的温度分布和均匀性，查阅部分国家标准，取散热器底板厚度为5～6mm， 长度和高度根据结构设计要求取值为300mm 和150mm 。其结构形式如图1 所示。

图1 功放模块散热模型示意图

    图1中d1表示散热肋片厚度；d2表示肋片间距；d3表示散热器与风扇出口处的距离；d4 表示并联风扇之间的间距。为了使散热设计达到最佳效果，就必须综合考虑这些结构因素。
3.1 算例参数的选取
    本次研究共选取了11 组不同的结构参数进行数值模拟，以进行对比分析。

表1 结构参数表

    按照结构模型设置边界条件和初始值，进行迭代计算。

3.2 计算结果及对比分析

表2 Icepak 计算结果

    上表中Tmax 表示功放表面最高温度；Tmin 表示功放表面最低温度；Tave 表示功放表面平均温度。由计算结果可以看出第2、5、6 组的数据最为理想，第4 组数据最不理想。

    （1）当其它参数固定，不同d1 情况下，可以发现d1=5mm 时计算结果最为理想，d1=1.5 、3mm 时次之，具体为Tmax9＞Tmax7＞Tmax8＞Tmax6 。可见肋片厚度存在最佳值，过大或过小都会对散热造成不利影响。
    （2）当其它参数固定，不同d2 情况下，可以发现d2=5mm 时计算结果最为理想，d2=3mm 时次之，具体为Tmax11＞Tmax10＞Tmax2 。另外可以发现d2=3 、5mm 时计算结果Tmax10 和Tmax2 相差不大，相差仅为1.483％，Tmax11 和Tmax2 却相差17.55％，可见d2 较大时对散热影响很大，d2 较小时散热效果相差较小。
    （3）当其它参数固定，不同d3 情况下，可以发现d3=5mm 时的计算结果最佳，d3=10mm 时的计算结果次之，具体为Tmax4＞Tmax3＞Tmax1＞Tmax2 。可以发现d3 对散热效果有很大影响，d3=5、15mm 时的计算结果Tmax4 和Tmax2 相差20.16 ％。当d3=0mm 时由图2 可以看出风机出口到散热器之间的流场很不均匀，影响散热效果；当d3 较大时如图3 和图4，风压损失则会加大，进而影响散热效果，所以准确的把握d3 值对散热设计极为关键。
    （4）当其它参数固定，不同d4 值情况下，可以发现d4=116mm 时的计算结果最佳，d4=96mm 时的计算结果次之，具体为Tmax6＞Tmax2＞Tmax5 。对比可以发现d4 对散热效果影响很小，Tmax6 与Tmax5 相差仅为2.22 ％。
4 结论
    本文通过使用Icepak 对若干组结构设计参数情况下的功放散热进行了数值模拟，进而对比分析得到了最优设计参数。模拟结果发现，在影响功放散热的几个结构参数中，肋片间距d2 及散热器与风扇出口处距离d3 对散热影响最大，肋片厚度d1 对散热影响次之，并联风扇间距d4 对散热效果影响较小。在散热设计中，综合的、准确的把握这些结构参数，能够为功放设计实现最优化的设计方案提供技术指导作用。

图2 第1 组结构参数温度分布图

图3 第2 组结构参数温度分布图

图4 第3 组结构参数温度分布图

图5 第4 组结构参数温度分布图

转载：感谢您对网站平台的认可，以及对我们原创作品以及文章的青睐，非常欢迎各位朋友分享到个人站长或者朋友圈，但转载请说明文章出处。