某通信中继设备散热优化设计

广州海格通信集团股份有限公司 吴赵兵

在通信系统中，基站、中继、路由等设备是通信系统中的重要信息核心枢纽，该类设备的稳定性直接决定了整个通信系统能否稳定可靠地长期运行。目前通信技术的发展和系统建设，需要通信系统中的核心设备向高密度高集成方向发展，随之而来的是设备的单位体积热耗越来越大。对于电子设备而言，电子器件在环境温度每升高10℃，其失效率增大一倍以上[1]，可见通信设备的热设计对通信系统的稳定性至关重要。

在以往通信设备开发过程中，多数研发人员对于设备散热设计往往采用的经验对比和实测并反馈改进的方法去做产品的散热优化，这种方式比较依赖于工程设计人员的经验和判断，开发周期长，成本较高。随着近些年计算机仿真技术的发展，各种工程领域的仿真软件也逐渐涌现，在热仿真领域也有几款好用的优秀软件，借助于该类软件，在产品开发时可通过模拟仿真来指导和改进热设计，从而缩短开发周期，快速得到设备散热措施的最优解，提高产品的设计质量和市场竞争力。

本文将某款通信中继设备产品设计开发为例，以6SigmaET热仿真软件为工具，对产品散热优化进行了具体研究和阐述。

1.研究对象及热源分析

本研究涉及的对象为一款集群通信中继设备（以下简称中转台），该设备的主要组成为显控单元、控制单元、射频处理单元、双工器、功放单元，中转台模块布局如图1所示。其中，功放单元位于中转台后部，功放单元内的发热核心部件为功放管，其位置如图2所示。

图1 中转台模块布局效果图

图2 功放管位置示意图

2.散热需求分析

中转台的热源来自功放单元的功放管，功放管直接安装在散热器上，要保证功放管长时间安全稳定运行，功放管的工作温度有上限要求（由硬件确定，参考值：器件周围散热器温度最高不超过87度），若温度超出上限值，功放单元将启动保护策略降额运行，以保设备安全。

根据设计需求，中转台的高度控制为1U，而行业内中转台的高度普遍为2U，另外根据硬件需求，功放单元满负荷工作情况下，功放管的热耗散为70W。根据对比分析，初始设计的散热器散热能力压力较大，因自然风冷散热换热效果有限，而空气强制对流冷却的换热量比自然对流和辐射的要大到10倍[2]，所以根据经验该设备的散热需要风扇介入强制风冷散热。除了风扇介入外，还需在结构上做好最优散热设计，所以需要仿真分析并优化设计方案能否满足散热需求。

理想状况：在最高环境温度（55℃）下，功放单元满负荷常发工作，1U散热器可以满足散热需求。

3.热仿真环境搭建

根据中转台硬件布局和发热源位置分析，可以简化模型，在热仿真时取散热器、风扇、功放管、风扇整流盖板为考虑对象。

仿真软件选用6SigmaET，它是由英国Future Facilities公司开发的新一代热分析软件，具备系统、设备、板、器件等级别的散热设计解决能力。6SigmaET具备快速建立模型功能、查错功能、智能化网格生成功能、自动简化模型功能。

完成仿真环境的建模，包括测试空间设置、热源定义、材料属性定义、风道设置等。完成建模后，设置求解器参数：环境温度为20℃，湍流模型为标准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。

仿真模型各个零件的属性及赋值见表1。

表1

根据散热器尺寸及散热尺寸要求，选择小尺寸大风量高可靠性风扇，风扇品牌为台湾建准，型号为PMD1238PKBX-A，风扇详细参数见表2，风扇风压—风量曲线见图3。在实际中考虑到保留一定的设计余量，在热仿真环境中设置风机转速为12000RPM。

表2

图3 PMD1238PKBX-A曲线图

4.热仿真对比分析

以初始散热器模型为基础，主要针对散热尺齿数与表面积、风扇是否位于功放管正上方、散热器材质（纯铜或铝合金）、是否有导热衬板、是否加风扇整流盖板、散热器加高等方面进行热仿真对比分析。

图4 散热尺类型截面图

初始散热器的散热尺截面图如图4a所示，散热尺高45mm，基板厚度为18mm，图4b是在4a的基础上由4尺改为7尺，并在散热尺表面增加波纹以增加空气接触面积，图4c是在4a的基础上将尺高增加到70mm。

根据以上对比条件，进行系列热仿真实验，在对比实验中实验环境条件一致，取环境温度为20℃，环境温度变化不影响热仿真实验效果，只需在仿真结果上累加环境温度差值即可。热仿真实验效果对比结果见表3。

表3

图5 部分热仿真散热器表面温度云图

在表3中，需要关注的三个结果数值为换热功率、芯片主表面温度、芯片主体积温度。在热仿真系统中，达到热平衡后，芯片主表面温度和主体积温度越低，芯片的寿命和稳定性越好，芯片允许承担的工作负荷越大；芯片的换热功率越大，留在散热器上的发热功率越小，散热器表面温度和平均温度越低，即：芯片主表面温度和主体积温度越低，换热功率越大，整体散热效果越理想。

在仿真建模中，风扇整流板的作用是将吸入风机内的气流尽可能长的在翅片沟槽内流动，增大与翅片表面的接触面积，从表3的第2组和第3组仿真结果来看，这种有益作用被整流板阻碍风机周围热量散失的有害作用抵消，所以为了达到最佳散热效果，取消风扇整流板。

部分仿真组热平衡后散热器表面温度分布云图如图5所示。由图5a和图5b可以看出，在不增加散热尺高度的情况下，将散热尺齿数增加到7齿并增加散热翅片表面微波纹特征，可改善散热效果，但是这种改善不明显。从表3和图5c可以看出，在散热器整体材质为紫铜（高导热系数）的情况下，功放管引起的发热温度被快速传开，功放管温度降低明显（下降约9℃），但散热器表面温度较高，相比铝合金材质，紫铜与空气的换热较差。从表3、图5b和图5d可以看出，采取紫铜基板和铝合金散热尺的组合（铜铝复合散热），可以将功放管温度较好的传递开，但散热尺表面积一致，所以整体换热功率基本一致。所以，综合上述，采用铜铝复合散热并增加散热尺高度（增加25mm），从表3的第8组数据和图5e可以看出，热平衡后功放管温度较低，换热功率较大，散热器外表面温升最大不超过20℃，结果较为理想。在后续实测试验中，按类型3做的铝合金散热器在设备热平衡稳定运行后，散热器表面最高温升为18.9℃，实测结果与仿真数据近似。

5.结论

1）在本散热系统中，风扇整流板没有起到预想的效果，可以去掉；

2）在散热尺高度不变的情况下，增加散热尺与空气的接触面积可以改善散热效果；

3）相同情况下，铝合金与空气的换热效果比紫铜与空气的换热效果好；

4）铜铝复合散热（紫铜基板和铝合金散热翅片）效果明显好于其他仿真数据组；

5）70mm高4齿散热器和紫铜基板导热可以在功放单元满功率常发的情况下，将散热器表面温升控制在20℃以下，功放管最高温升控制在40℃以下，仿真结果满足设计需求；

6）通过后期实测第八组数据的仿真结构与产品实测结果接近，说明准确到位的热仿真分析对产品的设计开发有着积极的指导意义。

[1]电子工业部标准化研究所．可靠性工程师热设计指南[S]．1985．30-37．

[2]庄奕琪．微电子器件应用可靠性技术[M]．电子工业出版社,1996．