某型数字集群基站的散热设计

张永刚

(广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510663)

数字集群通信是一种新型移动通信系统，它除了具备公众移动通信网(GSM、CDMA)所能提供的个人移动通信服务外，还能实现个人与群体间的任意通信，并可进行自主编控，是集对讲机、GSM、CDMA和图像传输于一体的智能化通信网。集群基站是通信系统的核心设备，它的可靠性直接决定了数字集群系统的可靠性。集群基站设备越来越向大容量、大功率、高集成度方向发展，系统的热耗密度越来越大，环境适应性要求越来越高，而体积却要求越做越小，热可靠性已经逐渐成为系统可靠性的瓶颈。因此，解决基站设备的通风散热问题，已经成为了基站结构系统设计中一项重要的课题。

对于热功率密度很高的通信基站来说，热设计是系统可靠性设计的重要内容之一，当温度超过一定值时电子器件的失效率随着温度增加按指数增加，不合理的冷却是使电子设备可靠性降低的主要原因之一，电子设备的故障20%是由于高温引起的［1］，完善的热设计能大大提高设备的可靠性。

1 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;对电子系统强迫对流和自然对流冷方案进行优化。电子产品热设计中计算机仿真软件在界面、精度、可靠性、速度等方面都已成熟。

目前常用的热仿真软件具有如下特点：

a．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。

b．提供丰富的物理模型，可以模拟自然对流、强迫对流、混合对流、热传导、热辐射、流-固的耦合换热、层流、湍流、稳态、非稳态等流动现象。

c．利用热仿真软件可以模拟真实的温度场、压力场，帮助设计师确定合理优化的方案，提高设计水平，降低成本，缩短项目研制周期。特别在以流体流动为重点的设计中，更能发挥出有限体积法的优势。

2 基站的散热设计与仿真分析

基站整机功耗为820W，其中功放单元功耗700W，电源功耗100W，其他元器件约20W。功放单元的热设计是整个系统热设计的重点和难点问题之一。基站由电源单元、信道单元、功放单元及天馈单元等组成(单元排列顺序如图1所示)。

2.1 功放单元的散热设计

功放单元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长期通电会使壳体温度超过95℃，将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95℃，为了提高工作可靠性，还应尽可能地降低功放单元的温度。

图1 数字集群基站结构示意图

功放单元工作时的发热功率共约700W(4个功放管SD56120M)，功率相对较大，因此单靠散热器自然冷却不能完全解决其冷却问题，针对功放单元功耗较大、热流密度大等问题，可采用气冷式冷板方式散热(如图2所示)，其具有以下特点：(1)采用独立风道，发热器件不与冷却空气直接接触，避免灰尘，潮湿空气进入单元板内;(2)冷板内部温度梯度小，热分布均匀，可带走机箱内部较大的集中热负载;(3)具有较大的换热面积，流体通道的当量直径较小，换热系数较高;(4)冷板装置的组件简单，结构紧凑，维修方便;(5)与直接冷却(浸没冷却)相比，冷却剂的消耗少，同时也便于有效地调节冷却剂，以提高其冷却效率［2］。

图2 冷板结构示意图

2.2 整机风道设计

整机散热采用抽风方式，因整机有防滴雨要求，顶部及机柜前部须设防雨罩和活动门，进风口设置于机柜前侧底部，出风口设置于机柜背部功放单元及电源单元尾部(具体如图3所示)。

2.3 冷却空气流量的分配

基站功耗主要分布在功放单元及电源单元，如何分配两个单元的冷却气流分配比例成为散热问题的关键。不同结构模型因确定的功耗分布情况及特定散热结构存在最佳气流分配比例，通过热仿真可以寻找到最佳气流分配比例，从而达到兼顾功放单元与电源单元的散热效果。在其他结构参数不变的情况下，所选风机风量及各单元面板开孔率成为影响气流分配比例的主要因素。

图3 整机风道设置示意图

2.4 仿真分析

在计算求解之前对仿真模型的参数进行设置。环境温度：20℃。网格数：900 000。湍流模型：标准k-e模型。

标准k-e模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率，k方程是精确方程，e方程是由经验公式导出的方程。标准k-e模型需要求解湍动能及其耗散率方程，湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理、数学上模拟相似原形方程得到的，是目前工程流场计算中主要的工具，适用范围广，比较经济，有足够的精度。

本次选取5组不同流量比的结构状态进行仿真，综合考虑两个单元的温升情况，或者根据设定的温升权重分配选取最佳参数，结果见表1。

表1 不同流量比的仿真结果对比

由表1可见，当流量比为1∶1．1时，虽然电源单元温升仅为27．1℃，但功放单元温升为73．6℃，过多的流量分配到电源单元，使得功放单元的冷却空气流量不足;当流量比上升到1∶8．0时，功放单元温升为70．3℃，但电源单元温升达62．5℃，虽然通过功放单元的空气流量大幅提升，但温升相比第3组只降低了0．5℃，由此可见，当流量超过一定范围，增大流量对冷板散热能力提升不大，另一方面通过电源单元的空气流量不足，其温升急剧上升。综合考虑，第3组参数的综合散热效果最优，其温度分布如图4所示。

图4 整机温度分布图(流量比为1∶2．8)

3 结论

a．针对各单元的功耗及结构特点选择了合理的散热方式。

b．根据基站结构特点合理设计系统风道，通过调整风机风量及面板开孔率可改变空气流量比例，进一步通过仿真对比找到最优的空气流量比例，以达到最优的散热效果。在散热设计中应综合、准确地把握这些结构参数，利用先进的设计手段和方法找到最优结构参数。

c．针对冷板散热，由仿真结果可以看出当空气流量超过一定范围，增大流量对冷板散热能力提升不大，在工程设计中应注意这一特点。

［1］ 王锡吉．电子设备可靠性工程［M］．西安：陕西科学技术出版社，1999：50．

［2］ 赵惇殳．电子设备热控制技术［M］．西安：西安电子科技大学出版社，1992：81-82．