某车载信号源的热设计

张育栋

【摘 要】本文用热分析软件ANSYS Icepak对某车载信号源的初始结构进行分析，重点关注各模块的最高温度和机箱中的速度分布，发现了结构的不足之处，通过改进设计，进一步增强模型的散热能力，为设计提供理论依据。

【关键词】热设计；最高温度；结构改进；理论依据

【Abstract】Numerical study of a vehicular signal cabinet initial structure was completed with software ANSYS Icepak in this paper. The difference of maximum temperature on each module and velocity field in the cabinet was compared to find the deficiencies of the structure. In order to enhance the cooling capacity of this cabinet， an improving structure was designed and compared with the initial one. The results of this paper could provide theoretical guidance for the structure design of the cabinet.

【Key words】Thermal design； Maximum temperature； Structure design； Theoretical guidance

0 前言

这些年来信息技术和工业生产力都在强劲增长，其中涉及到的电子系统极为广泛，可以从纳米级的集成电路到各种功能的电子设备和更复杂的数据中心。根据相关统计，电子设备由于过热导致的失效约有一半以上。随着温度的增长，电子设备的失效率呈现出指数增长的趋势，对于大部分电子元器件，当环境温度上升10℃，其可靠性将降低一倍，这就是著名的“10℃法则”[1]。为了使电子设备能正常的工作，必须及时地将其中的电子元器件产生的热量散发到环境之中，这对设备的可靠性有着十分重要的意义。

电子设备热设计是芯片级、元件级、组体级和系统级可靠性设计的一项关键技术，其主要目的是为设备提供良好的热工作环境，防止元器件的热失效，以保证它们在规定的热环境条件下，可以按照预定的方案正常工作[2]。在确定热设计方案时，主要设计参数应选择元器件的最大功耗以及器件所允许的最高温度。对于工作系统而言，需要采用合适的方法将元器件产生的热量耗散掉，并将元器件的温度维持在一个合理的水平。

本文通过专业的热分析软件ANSYS Icepak对一种车载信号源进行了研究，分析该设备的工作情况，并改进结构的不足之处，以提高该设备的适应性，为该机箱的设计提供理论依据。

1 计算模型

本文研究的车载信号源三维模型如图1中所示，各模块位置如下图2所示。

信号源的组成部分有：机箱、支架、母板、风机、一个TR组件、一个电源模块、一个接收模块和一个发射模块。机箱和支架都为铝合金材料。四个模块通过支架安装在机箱里，其中发射模块最大热功耗为35W，接收模块最大热功耗为15W，电源模块最大热功耗为15W，TR组件最大热功耗为16W。机箱左侧装有风机，底面左右两侧各有一个通风口，通过强迫对流进行散热。

2 仿真分析

将整个信号源模型导入软件Icepak中，选用Blocks模型对各个模块进行替换，设置相应部分的材料和热功耗。对整个模型用六面体网格进行划分，选取合适的网格单元大小并对局部网格进行细化，最后得到网格单元数为651612，节点数为674528。经检查，网格质量良好，满足计算要求[3]。

考虑到室外工作环境的情况，分别对环境温度为25℃和65℃的模型进行了仿真计算。选用的风机特性曲线如下图3所示。各模块的最高温度如下表1所示。

可以看出，四个模块中发射模块的温度最高，远远超过其他模块。环境温度为25℃时，发射模块的最高温度为41.5℃，各模块温度都低于80℃；环境温度为65℃时，四个模块的温度云图如图4所示，其中发射模块的最高温度为81.5℃，超过了模块的最大许可温度，需要进行结构改进。两种条件下，发射模块的最大温升都是16.5℃。

3 结构改进

为了进一步地降低模块的温度，提高设备可靠性，需要对信号源箱体进行改进。发射模块热功耗大、温度最高，需在其安装支架底部加装散热翅片；考虑到TR组件的表面积较小、热流密度较高，在TR组件上表面也加装散热翅片。翅片的安装位置如下图5（a）所示；翅片的相关尺寸如图5（b）所示，翅片高度为6mm，宽度为2mm，翅片间隔2mm，基板厚度为2mm。在机箱的左右两侧，设计斜风道，如图6所示。

进过仿真计算，求解改进后模型的相关数据。当环境温度为65℃时，表2对比了模型改进前和改进后不同模块的最高温度。可以看到，结构改进后各模块温度均有降低，发射模块的最高温度降为76.3℃，最大温升为11.3℃，满足模块温度低于80℃的要求。

本文用热分析软件Icepak对车载信号源的初始结构进行了分析，并进行了设计改进，降低了各模块的最高温度，为该设备的结构设计工作提供了指导。

【参考文献】

[1]付桂翠，高泽溪，方志强等.电子设备热分析技术研究[J].电子机械工程.2004， （1）.13～16；

[2]赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社.2009；

[3]ANSYS Icepak 13.0 HELP Release 13.0[Z].

[责任编辑：张涛]