便携式密闭终端设备的散热设计及仿真分析

彭 伟，王虎军，陆景松，王志海

( 中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088 )

便携式密闭终端设备的散热设计及仿真分析

彭 伟，王虎军，陆景松，王志海

( 中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088 )

为了有效解决便携式终端设备在密闭结构形态下的散热问题，通过针对T/R组件芯片底部预埋钼铜载体、FPGA和DSP局部热点生长导热凸台等一系列方法打通了设备散热路径，优化了设备内部环境热场，并借助工程热仿真平台分析验证了设备散热设计的有效性，为今后类同便携式密闭设备的热设计提供了参考。

便携式；密闭设备；芯片温度；局部热点

终端设备一般是由多种不同的接口控制和输入输出的电子器件组合而成，这些电子器件的可靠性直接关系到整个设备的性能，而热性能又是其中一项重要的可靠性指标[1-2]。当前随着系统集成度和器件热损耗的逐步提高，单位空间热流密度的不断增大，加之各项环境适应性要求进一步强化，从而加速恶化了设备的热性能状态，同时也给热设计带来了更大的难度[3-5]。文中所研究的便携式密闭终端设备即是此类问题的一个典范，此设备要求实现轻量型的一体化设计，且整体结构密闭，具备防潮湿、风沙、盐雾等一系列高环境适应性，如此导致内部有效单位面积的热流密度显著升高[6]。由于上述因素的制约，根本不可能考虑以往工程上常用的风冷和液冷设计思路，惟有依赖单纯热传导以及局部热点扩展等方式进行设计，本文通过该设备的散热设计及计算分析，给出了详实的热设计要素和仿真验证，为结构设计提供了可靠真切的技术支撑，进而保障设备稳定运行，同时也为今后类同设备的散热问题提供了有效参考。

1 基本描述

终端设备主要由信号处理集成单元、T/R组件、接收机模块、低压电源模块等功能部件及其相关结构组成，如图1所示。信号处理集成单元上的主要发热器件为FPGA和DSP，其中FPGA的热耗为6.8W，DSP的热耗为5.3W；T/R组件的热耗为0.5W/件，共6件；接收机模块中的发热单元为差波束形成网络、频率合成器、上变频通道和模拟接收机等，其中差波束形成网络的热耗为5.1W，频率合成器为4.7W，上变频通道为6.2W，模拟接收机为5.5W；低压电源模块热耗为近10W。上述器件中局部热点主要集中在FPGA、DSP及T/R组件上，因此散热设计应重点关注。

图1 终端设备组成示意图

2 热设计

源于上述总体要求此设备整体结构处于防护密闭态，且能便携式运输，因此设备的结构设计应尽量缩减结构件的体积和厚度，同时采用质地轻巧的合金制作，而且针对于各接口界面添加一系列的密封橡胶和油漆，于此这些工作是利于“密闭，便携”特性的，但恰巧又与设备的散热设计思路是相悖的，降低了设备的散热热沉，阻碍了各器件的散热通道(路径)。本文终端设备的散热设计在兼顾以上结构设计的同时，综合优化设备内部散热路径，使得器件热量能够高效率地传递到设备外环境空间，从而满足各类器件的耐受温度。具体如：信号处理集成单元上的FPGA和DSP热点集中且顶面较为平整，热量通过导热衬垫传递到设备外壳导热凸台，再从凸台散发到外壳对外生长的散热翅片上；T/R组件内部的芯片热量直接通过钼铜载体贴到组件壳体底部，再通过壳体将热量传递给前面板的对外散热区域；接收机模块上的差波束形成网络、频率合成器、上变频通道和模拟接收机均依赖两侧壁梁传递热量给设备壳体，同样需要添加导热衬垫和导热硅脂；低压电源模块热量较小，自身热沉足以匹配耐受温度(增加了热沉，打通路径)。

3 热仿真分析

为了探究此终端设备工作时的热传递状态，利用工程热分析软件FLOTHERM对终端设备建立数值模型，根据真实的环境条件(如表1)设置计算工况，在保证仿真结果不失真的前提下，优化结构实现建模。如图2所示，数值模型忽略了一些孔、倒角、插件、线缆等特征；暂不考虑外界辐射干扰如太阳辐射、电磁辐射等热影响；鉴于此设备与其他设备的结构连接关系，其周围热性能互无影响，因此仿真分析中忽略其他器件对该设备器件的影响；其他器件如对本次热仿真分析不起直接热性能干涉，建模时忽略其结构；分析中按各元器件单独施加热耗，其余热耗均匀施加到安装基板上，模块厚度不一略有差别时，建模可统一为较薄的厚度。

表1 外部环境条件

环境温度约43℃海拔高度约4180米相对湿度约95%±3%(43℃时)环境压强约067个大气压自然风速约052m/s太阳辐射强度约0327(1±6%)kW/m2

图2 终端设备数值模型图

3.1 计算结果Ⅰ

图3和图4分别为信号处理集成单元在热设计前后的温度云图，从图对比可看出，信号处理集成单元上的FPGA和DSP温度都有了明显的下降，且均在耐受温度之内(80℃，85℃)，其中FPGA壳体温度从110℃下降到了82℃，DSP壳体温度从108℃下降到了78℃，说明了此项散热设计的有效性。

图3 初始温度云图

图4 热设计温度云图

图5 初始温度云图

图6 热设计温度云图

图7 终端设备数值模型图

3.2 计算结果Ⅱ

T/R组件上的芯片由于结构尺寸相对较小，因此模型计算需要重点对此加密网格，其热设计前后的温度云图如图5和图6。图中可以明显地看到，设计后的芯片局部热扩展性非常好，显著拉低芯片的中心温度，这说明此项散热设计中在芯片底部加载的钼铜载体起了很好的均热作用，再加上组件壳体与前面板散热区域的互联，使得T/R组件的热量迅速扩散到了设备外环境。

3.3 计算结果Ⅲ

此部分主要是分析接收机模块和低压电源模块的热计算结果。接收机模块中的差波束形成网络、频率合成器、上变频通道和模拟接收机由于安装方式较分散，散热通道不太好完善，只能借助于设备壳体生长出的壁梁桁架为散热路径，其中为了轻量化设计已最大化地减少桁架热沉，加上各接触界面的热阻，因此散热效果不太明显。但是好在这些器件内部耐热能力较强，最终还能够满足散热可靠性，具体见图7和图8。此低压电源模块自身效率较高，产生的热量小，可以利用电源壳体热沉以及对外辐射消化，图9为其仿真温度云图。

图8 终端设备数值模型图

图9 终端设备数值模型图

4 结论

本文针对某型便携式密闭终端设备进行了散热设计及验证分析，从工程化的角度详细剖析了设备的散热通道，在原初始结构形态上采取了有效热措施，使信息处理集成单元上的FPGA壳体温度从110℃下降到82℃，DSP壳体温度从108℃下降到78℃；通过钼铜载体延展芯片法兰局部热均匀性，显著拉低其中心温度；接收机模块和低压电源模块充分借助桁架热沉实现轻量化设计，满足设备散热性能，为整体设备结构设计提供了可靠性的技术支撑。

[1] 李波，李科群，俞丹海.FloTHERM软件在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程,2008,(8)：11-13

[2] 王萌，徐晓婷.高密度密封电子设备热设计与结构优化[J].电子工艺技术,2006,(6)：339-343

[3] ZHANG L M.Thermal design of the telemetry transmitter on Flotherm[J].Equipment Manufacturing Technology.2014,(1)：106-109

[4] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社,2005

[5] 丁成斌，王克成，张文革,等.基于Flotherm的一种电源设备热仿真分析[J].机电元件,2011,31(4)：28-31

[6] 李增辰，褚俐.某密闭电子设备的热设计[J].电子机械工程,2009,25(4)：7-9

ThermalDesignandSimulationAnalysisforaPortableSealedTerminalEquipment

PENG Wei，WANG Hujun，LU Jingshong，WANG Zhihai

( No.38 Research Institute of CETC，Hefei，Anhui 230088 )

In order to solve the heat dissipation problem of portable terminal equipment in a confined structure，through to the bottom of the chip embedded T/R components FPGA and DSP molybdenum copper carrier，local hot growth heat boss and a series of methods to open up the equipment cooling path，optimize the internal environment of equipment thermal field，and with the analysis of engineering thermal simulation platform is proved to be effective the design of cooling equipment，which provides a reference for the thermal design of the future similar portable airtight equipment.

Portable；Closed equipment；Chip temperature；Local hot spots

2017-4-26

彭伟(1983-)，男，硕士，工程师。研究方向：电子设备热控设计。E-mail：p8385w@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-071-04

TN03；TK124文献标示码A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.013