通信设备中机械零件的可靠性设计

邱建源

摘 要：本文以某种通信设备电源模块及变压器结构设计为例，对电路性能参数配置、PCB板极布局、热设计、布线设计等进行了详细的论述，利用ANSYS有限元分析（FEA）软件，对变压器绕组结构进行建模，并对变压器结构热分布进行仿真分析。

关键词： 通信设备；电源模块；变压器；热设计；可靠性

1.前言

随着通信技术不断的更新换代，通讯网络越来越普及便捷。计算机控制、元器件尤其是光元器件、硅集成电路的广泛应用，通信设备逐步形成全光网络化、高速、超容量模式。组成通信设备的电路设计上也趋于多层板、高度集成、贴装电子元件结构。通信芯片及功率元器件运行过程，热量集聚上升迅速，热密度增加，通信设备温度增加，对于设备安全运行造成诸多影响。由于国内外已经建立起通信设备热控制、机械结构设计的规范和标准，在设备电子电路论证过程必须分析温升影响过，并在整个设备通信电路设计过程中，形成完整的温升测试结论，进一步完善温度管理的优化设计。在热设计过程，主要采用散热器技术，日本等国家已经研制出蒸汽与冷却风扇高度集成的散热装置，这种技术具备通用化、系列化、标准化的发展趋势，有效解决了芯片、功率器件散热的问题[1]。

2.通信设备结构设计关键技术

2.2电源板级整体布局

在设备结构设计中，应充分考虑散热和电磁兼容问题，尤其是PCB板极的热设计，要求具备较高的稳定性和可靠性能。一般通信设备电源部分存在功率电路、变压器电路以及芯片控制电路，设计布局时，采取分层设计。通常PCB板为四层设计，最顶层和最底层布局功率电路，便于散热；第二层一般为信号处理层，第三层是接地层。同时需要增加铜厚，可以很好的提升系统电源热性能，降低内阻抗。

整体布局中，通信电路中电感器、变压器、硅功率管、电容器等易发热元器件置于第一层，并在机箱内增加散热片或散热器，采用强迫散热放射进行热稳定性设计；把系统控制芯片、采集电路、电流检测、光耦合等受温度影响较大的电路置于第二层，减少热影响，提高电路稳定性。而且应在控制芯片、电流检测店里周围，布置去耦电容，可以有效减少白噪声。

2.2 布线工艺设计

由于通信设备采用较多开关型电源，通过电源拓扑分析，开关电源变压器绕组中存在最大交流电压节点，即功率开关管集电极。集电极电压较高，发热快，散热性不好，尤其是交流电压发射EMI信号时，由于系统电容耦合作用，会使不同PCB板上的引线收到这种耦合影响，存在较大的杂散电流，引起电路板发热。基于此，在布线工艺设计时，多普遍采用电路表面贴装元器件，并且在PCB第一层和接地层进行孔连接，能够很好的改善线路热性能，有效增加散热体积以及表面积，极大的减小了引线间电容耦合影响。

2.3 通信设备的电源热设计

随着通信电源模块化、微型化、高度集成化发展趋势的确立，电源尤其是核心部件-变压器性能要求越来越关键。在电路设计时既要充分提高系统工作性能，又要重点考虑结构设计的热稳定性。两者有机结合，才能整体提升设备工作的可靠性。在热分析理论中，通信设备热结构的传导方式主要有热传导、热对流及热辐射三种方式[2]。

（1）热传导

热传导可以利用傅里叶变换进行表述，其数学公式为：

（2-1）

式（2-1）中，

Φ表示热流量，单位是w；

A表示热传导方向横截面积，单位是m2；

表示温度变化率（温度在时间轴X的方向变化情况），负号表示热传导由高温体向低温体传导；

λ表示热传递系数，对材料导热性能进行表征，单位是W/（m·k）。

（2）热辐射

由于电磁波向外发射能量粒子形成的热量称为热辐射，通信设备工作时，由于电磁辐射的外辐射和吸收辐射的叠加重合，产生热能。工程材料力学中，运用数学公式（斯蒂芬-波尔兹曼定律）计算表述为：

（2-2）

上式中：

E表示某物质的实际辐射力，单位为单位W/m2；

ε表示热发射率，ε=E/Eb（同温度下，实际物质辐射力与黑体辐射力之比）；

Eb表示理想状态下物质最大辐射的能力（称之为绝对黑体），单位为单位W/m2。

（3）热交换

热交换也称为热流换热。主要载体为流动的液体（水）或气体（空气）。主要通过与相接触设备表面间通过冷却或空气对流进行热量的交换，带走多余热量[2]。形式上包括自然热交换和强迫热交换。强迫交换主要采用冷却风扇、热交换器、水泵等外载设备，迫使设备间的热量转移。热交换数学表达公式（牛顿冷却公式）为：

（2-3）

公式（2-3）中，

Φ、A与公式（2-1）表示相同，单位相同。

α表示热传递系数，对流体表面热性能进行表征，单位是W/（m·k）；

△t表示流体与接触器件表面的温度差，单位是℃。

在通信设备电源变压器设计时，应严格按照标准和规则进行参数数据的设计，并对变压器各参数进行优化处理，以满足系统功能要求和结构热设计要求。在变压器参数设计时，关键参数指标磁心损耗和绕组损耗是引起电路温升的主要热源。因此，其参数设计应严格按照计算公式进行计算，并利用计算机辅助热设计软件进行仿真、测试、分析、优化，最后形成输出文件，得到温度分布验证图如图2所示的通信设备电源系统变压器机械热设计流程。

3 热交换仿真设计

通信设备电源系统变压器为扁平绕组结构，设计结构匝比为初次级匝比4：2。在整体参数设计完成后，需要利用计算机辅助机械结构热设计软件进行性能测试、分析和优化改进。采用ANSYS有限元分析（FEA）软件可以实现流体、结构、电磁场、涡流场、声场等仿真测试和分析。利用软件包含的Maxwell 2D/3D、HFSS电磁仿真软件，能够实现低频下超级功能的电磁仿真测试和分析求解。本文首先用Maxwell 2D/3D建立通信设备电源变压器数学模型，对设计进行仿真分析求解，获得变压器设计的寄生参数。利用寄生参数值在进行变压器绕组结构的优化处理。本文利用ANSYS软件研究不同绕组结构对通信设备电源变压器漏感、铜耗等影响，优化设计出最优压器绕组结构[3]。

利用计算机辅助热设计建立的变压器仿真结构模型如图2所示，仿真表明变压器次级并联绕组结构的损耗虽然比单层厚绕组结构偏高，但是次级并联绕组结构工艺简单，绕组厚度加工工艺便于控制，因此实际应用中多采用这种结构形式。

在仿真热设计中，首先要在软件系统文件Steady-State Thermal中设置电源变压器基本设计参数和根据热传递理论计算的材料热导率。并在铁氧体磁心内部设置热源，对变压器磁心损耗进行模拟温升造成的影响，功耗数值参考设计标准获得；绕组损耗通过仿真进行获得。边界条件设定：通信设备环境温度25，交换空气自然对流状态，换热系数设定为10 W/m2。仿真结果如图3所示。

图4中分析表明，通信设备电源变压器热分布最高温度为80左右，为综合考虑全部散热交换布局。

3.结论

通信设备机械结构设计既要满足系统性能要求，又要充分考虑热稳定的整体要求。尤其是设备的工作稳定性和可靠性。在通信设备机械结构设计中，应充分掌握设计标准，按照功能要求进行参数设置，并根据功能及元器件热特性进行系统布局，采用电路板分层设计的思想，并适当增加散热系统增强系统热交换的能力，从而确保设备工作的可靠性和稳定性。降低能量损耗，提升设备运行效率。

参考文献

[1]孙洪拓，王长青，冯宇石，王君薇.控制设备的可靠性设计方法和实施途径[J].光电技术应用.2006，2.21（1）：62-66.

[2]魏晨，謝运祥，宋静娴.浅谈开关电源中的平面变压器[J].通信电源技术，2006， 23（5）：55-57.

[3]徐晓婷，朱敏波，杨艳妮.电子设备热仿真分析及软件应用[J].电子工艺技术，2006， 27（5）：265-268.