基于Flotherm的某电子设备功放模块优化设计

姜磊鹏

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)



基于Flotherm的某电子设备功放模块优化设计

姜磊鹏

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)

摘要：散热不良导致的热失效是电子设备失效的主要形式。以某电子设备功放模块为例，使用专业热仿真软件Flotherm分析相同边界条件下两种结构的热效应，寻求最优设计方案。

关键词：电子设备；热仿真；Flotherm软件

0引言

随着电子技术的快速发展，设备的功率密度越来越大，散热不良导致的热失效成为电子设备失效的主要形式。据统计，电子设备失效问题中超过60%是因为散热问题引起的[1-2]。因而，能够解决电子设备过热问题的热分析、热设计和热测试技术得到了迅速发展[3]。在产品设计阶段进行热仿真分析，可以得到所计算模型的最高温度、最低温度及温度分布情况。掌握这些重要信息后，可以对模型结构及布局进行合理调整或采用必要的散热措施[4]，再继续进行热分析计算，如此反复迭代，优化模型的热设计。

实际研究中，传统的热力学计算复杂耗时且需要不断的试验对比验证，而通过在产品设计阶段应用CFD软件对产品的热性能进行预估，以避免可能存在的电子器件散热问题，可以极大地提高效率，缩短研发周期，降低成本。本文以某电子设备功放模块为例，使用Flotherm软件分析相同边界条件下2种结构的热效应，寻求最优设计方案。

1功放模块简介

功放模块的主要功能是将所接收的激励输出信号进行功率放大。基本流程是：激励输出信号进入功放后，首先通过功分器均分为多路信号，然后对每路信号进行独立放大，最后再通过功分器合成为一路信号，输出给发射天线，从而增大电子设备的通信范围。

功放模块的主要组成部分是功率管，其随着温度变化具有一段稳定的线性功率输出区间，若温度过高，超出此区间后，增益将迅速下降，影响电子设备正常工作。连续工作状态下，功率管的结温计算公式为：

(1)

式中：Tj为结温(℃)；Tc为壳温(℃)；Rjc为结壳热阻(℃/W)；Pdiss为热耗功率(W)。

2结构设计方案

2.1结构设计方案一

方案一如图1所示，模块散热为两侧风道，其中外侧风道为主散热风道，散热齿高10 mm(散热齿与壳体为一体)，内侧风道为辅助散热风道，散热齿高8 mm(散热齿与盖板一体)。

图1　结构设计方案一

2.2结构设计方案二

方案二如图2所示，将模块散热结构改为外侧单风道，散热齿高度15 mm。

图2　结构设计方案二

3热仿真分析

3.1边界条件

仿真边界条件设置如下：环境温度25℃，功放单元170 W，电源单元195 W，数据处理单元作为准绝热体处理，其主要作用为结构上形成并联风道。

选用Ebm公司4112NHH型风机，其结构外形尺寸为119 mm×119 mm×38 mm，开口流量260 m3/h，闭口压力188 Pa，抽风方式冷却。

3.2结果分析

3.2.1方案一仿真结果

风机工作点如图3所示，流量85.5 m3/h，工作压力114 Pa，风机效率31%，出口平均温度36.27 ℃。

图3　方案一风机工作点

功放腔内和外侧风道温度分布云图如图4所示。各模块热功耗、流量、仿真壳壁最高温度统计如表1所示。

图4　方案一温度分布云图

模块热功耗(W)流量(m3/s)模块出风温度(℃)功率占比流量占比盒体最高温度(℃)功放单元1700.0108外风道42.7内风道35.734%42%74.5电源单元1800.007140.536%28%65.6信号处理单元150(未参与计算)0.0074/30%30%/

模块最高壳温74.5 ℃，选用的功率管结壳热阻数值为1.27 ℃/W，结温为250 ℃。预估结温为：

Tj=Tc+Rjc·Pdisa=74.5+1.27×65=157℃<250℃

3.2.2方案二仿真结果

风机工作点如图5示，流量77.26m3/h，工作压力120Pa，风机效率28%，出口平均温度37.14℃。

图5　方案二风机工作点

功放内部温度分布云图如图6示。

图6　方案二温度分布云图

各模块热功耗、流量、仿真壳壁最高温度如表2所示。

模块最高壳温69.1 ℃，选用的功率管结壳热阻数值为1.27 ℃/W，结温为250 ℃。预估结温为：

Tj=Tc+Rjc·Pdiss=69.1+1.27×65=151.6℃<250℃。

表2　方案二仿真结果数据统计

3.3小结

从表1和表2可以看出，风机流量的分配基本与设备的功率分配相匹配。其中，方案二改为单风道后，风机总的效率有所下降，分配给功放的风量减小，但全部风量由主风道内换热，功放模块发热器件为单面贴壁(贴主风道内表面)，换热效率高，模块出风口温度较高。所以，方案二的散热效果较方案一好。

4结束语

应用Flotherm仿真软件，可以快速有效地得出电子设备热设计的分析结果，模拟出设备的温度场分布，从而使设计者对设备的散热能力有直观、准确的了解，可以及时发现设计中的问题并予以修改，使其能够满足设计需求，寻求最优设计，值得在电子设备热分析中推广使用。

参考文献

[1]赵惇殳．电子设备结构设计原理[M]．南京：江苏科学技术出版社，1986.

[2]电子设备可靠性热设计手册[M].北京：电子工业出版社，1989.

[3]程尚模.传热学[M].北京：高等教学出版社，1990.

[4]基于Flotherm的电子电路热仿真分析与研究[J].现代电子技术，2015.

Optimization Design of Power Amplifier Module for A Certain Electronic Equipment Based on Flotherm

JIANG Lei-peng

(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Abstract:The thermal failure caused by bad heat dissipation is a main mode of electronic equipment failure.Taking the power amplifier of a certain electronic equipment as an example,this paper uses special thermal simulation software Flotherm to analyze the thermal efficiency of two kinds of structures under the same boundary condition,seeks for the most optimized design scheme.

Key words:electronic equipment;thermal simulation;Flotherm software

收稿日期:2015-12-22

中图分类号：TN722.75

文献标识码：B

文章编号：CN32-1413(2016)02-0112-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.027