GME11D13X2A型地面数字电视发射机风冷系统改造设计
2015-10-21方耀武
方耀武
（作者单位：安徽广播电视台宣城发射台）
GME11D13X2A型地面数字电视发射机风冷系统改造设计
方耀武
（作者单位：安徽广播电视台宣城发射台）
数字电视发射机效率较低，整机热耗大，整机的温升是影响发射机稳定、可靠、不间断工作的重要因素。所以，整机冷却系统能否快速、均衡、有效地散热是发射设备稳定工作的前提。本文针对GME11D13X2A型地面数字电视发射机风冷系统设计缺陷重新设计了风冷系统，改善了风路设计，采用加快冷媒在设备内循环，增加散热措施，加快散热速度的改进措施，有效降低整机温升，消除局部热量积聚，为发射机提供了良好的稳定的工作环境。
数字电视发射机；风冷系统；设计改造
1 详细技术内容
1.1概述
由于数字电视对带宽，失真等参数的要求，决定了数字电视发射机功放效率只有10%～15%，也就是说功放消耗的85%～90%的能量将转化为热量的形式散发出去。因此，良好的散热系统是功放稳定可靠工作的保障。GME11D13X2A型地面数字电视发射机，一柜双机，同一机柜整合了2台1kW数字发射机，正常工作时近7～8kW的热功率需要散发出去。同一机柜中安装有4台600W功放，2台地面数字激励器，2台主控单元，结构紧凑，散热效果不佳整机的温升超过10℃局部最高达55℃。实测整机散热参数结果如表1。
测试仪器：AZ8908风速测量仪；T350C手持红外测温仪。
1.2冷却系统改造原理分析
发射机产生热量的来源主要有三个方面：（1）功放；（2）由于功放不平衡所造成的合成/分配器吸收负载上的能量；（3）由于工作频率的升高无源器件插入损耗增大所导致的能量消耗。其中，原因（2）是可控可调的，原因（1）是产生热量的最主要原因，是产生热量的源头，占热量损耗的95%以上，无源器件由于插损的增加所引起的温度上升，如控制不当会使整机频响出现变化，严重时会导致发射系统失效造成停播事故。因此，解决（1）、（3）是我们在风冷设计中最关键的环节。
GME11D13X2A型地面数字电视发射机功放采用模块化结构，单个末级功放板由2只LDMOS场效应管组成。每个场效应管和与之相联的输入输出匹配电路构成一个单管放大器。2个单管放大器和90°正交电桥构成一组末级输出功率大于200W的功放板；3组同样的末级功放板再经三合成器功率合成为1台输出功率大于600W的功放模块，功放的整机效率15%左右，散热量大。热量产生的根源是功放管，消耗在功放管中的功率PD主要消耗在漏结上，造成漏结发热而使结温上升，如漏结散热良好，会在一个较低的温度上达到热平衡，反则会在一个较高的温度上达到热平衡，如温度控制不好会引起热崩而烧坏管子。散热的原理如所示图1。
图1 散热原理
图1中，T2是热源表面的温度，T1是周围空气的温度，他们的温差（T2-T1）；传输的热功率为P；热阻RTH热传导过程中受的阻力，单位用℃/W。则他们的关系为：
上式表明，RTH越小，即热传导过程中受的阻力越小，散热越好，由热源P产生的温度差就越小，热源表面温度越接近周围空气的温度，极限等于周围空气的温度。
由对流散热的公式：
式中Q是对流换热量；T1为热源表面温度；T2为冷媒温度；S为对流换热面积；K是对流换热系数。
表1 实测整机散热参数结果
散热的根本目的是降低热源温度，使热源在较低的温度下达到热平衡，从而使设备有良好的工作环境。从（2）式中可以得出，良好的散热系统应包括2个重要环节。一是增加散热面积，使热源表面尽可能和冷媒有较大的接触面积，或是加快冷媒的流动速度，尽快带走热源的热量，等效于增加散热的面积。二是有效地降低冷媒温度。因功放模块设计定型，无法增加固定的散热面积，只有重新设计冷媒回路，改善风路设计，加快冷媒流动等效于加大散热面积，才能解决系统温升过高问题。
1.3风路系统设计
从表2、表3参数我们可以得出，（0.19864125-0.1884/0.1884）×100%≈5.44%，说明进风量比出风量大5.44%，机柜内呈弱正压，作为冷媒的空气会在机柜中积聚并阻碍热源和冷媒的热交换，提高了热阻RTH，设备会在较高的温度下达到热平衡。为了减小热阻，受原设计的限制，降低整机温度的唯一方式是必须加大排风速度，使机柜内呈弱负压，促进进气速度，加快冷媒和热源的交换，达到降低整机温度的目的。
表2 改造前进出风量参数
表3 机柜参数
表4 改造后散热参数
重新设计改造后的风冷系统如图2所示。改造前机柜6处不同位置，不同方向进风，只有顶部1处排风，进风点过于分散，排风过于集中导致机柜内出现排风不均衡现象，机柜上部排风较为顺畅，下部排风困难，局部形成内循环风，热量不能尽快排出，导致冷媒温度上升，从而造成局部热量积累，机柜下部设备温度高，局部烫手。改造后如图3，在机柜后部中部开1处直径300mm的排风口，增加1台风压205Pa，风量3300m3/ h大功率散热风机，使得最大排风量达约1m3/s，远远大于进风量，使机柜内空气呈弱负压，彻底改变了机柜内风路，使冷媒在机柜内分布得更加合理均衡，有效地消除了局部内循环风的问题。
图2 重新设计改造前的风冷系统
图3 重新设计改造后的风冷系统
从表2，表3、表4中可以得出，进风口风速增加约17%，每秒冷媒交换率提高到约20%，两项参数均明显增加，有效地降低了RTH，使整机热交换效率大大提高。实测出风口温度降低约10℃以上，降温效果明显，使功放模块工作更加稳定可靠，消除了故障隐患。
2 使用情况
GME11D13X2A型地面数字电视发射机风冷系统改造完成后，有效地降低了热阻RTH，进风口风速增加约17%，每秒冷媒交换率增加到约20%，实测出风口温度降低约10℃左右，设备周围的机房局部环境温度降低3℃左右，各项参数均明显改善，使整机热交换效率大大提高，为设备稳定工作提供良好的环境。
方耀武，工程师。研究方向：无线传输发射。
