小型通信机箱的板卡散热优化设计

潘美娜

（上海欣丰电子有限公司，上海200436）

小型通信机箱的板卡散热优化设计

潘美娜

（上海欣丰电子有限公司，上海200436）

小型通信机箱由于板卡和器件的集成度高，过热问题比较显著。由于风扇是旋转出流，导致机箱内部流场分布是不均恒，为了改善机箱的散热状况，优化NT板卡的布局。NT板上Chip1的高温问题比较突出，希望能够将其降低到合理的温度范围。由于LT板卡处于流场下游，卡门涡街会影响板卡的散热，更改LT板卡上的芯片41，42，43，44的布局，错开叉排布置，重新测试Chip44的温度，得出最高降低5.72℃.

通信机箱；板卡；热分析；优化设计

电子设备在生产和生活中得到了广泛的应用。电子设备的小型化，功能的集成和复杂化伴随着电子工业的发展而发展。设备的体积缩小，而整体功耗和热量不断增加，系统内部温度相应提高，高温会引起元器件失效，导致设备无法正常运行。研究表明[1]，探究电气设备的失效原因，其中55%以上应归咎于温度过高，高温会损伤电路的连接界面、危及半导体的结点，增加导体的阻值和形成机械应力损伤。因此，在电子设备结构设计的初期，必须对元器件的热特性进行分析，合理的优化布局板卡上的元器件，从而降低热损耗，提高散热效果。

1 机箱及板卡的物理模型

本文中的小型通信机箱为2U系统，结构尺寸（长、宽、高）为440 mm×240 mm×89 mm，机箱的进出口的打孔板开孔率为60%，设计成直通风。旁边为风扇盘，风扇盘选用三个轴流风机的风扇，风扇的结构尺寸60 mm×60 mm×25.4 mm.实际情况中，在室外或者空气质量比较差的环境，机箱内的器件会由于灰尘积累影响正常工作，在风扇入口设计安装滤网来防尘。在不同的应用场合下，针对同一款机箱，不同的客户会有不同的配置需求，本文中选取一种典型配置进行分析。该配置中，机箱左半边从上到下为两块结构尺寸为125 mm×220 mm×2 mm的NT板和一个AC电源，右半边从上到下为四块结构尺寸为260 mm×220 mm×2 mm LT板。

2 流场优化对板卡散热的影响

发热量高的芯片在风冷时芯片之间是会相互影响，为了减小对散热的影响，G.I.Sultan提出采用抽气的方式来避免漩涡的产生，从而加强芯片的散热效果[2]。由于风扇的旋转岀风，导致机箱中不均匀的流场分布，对机箱散热的影响[3]，为了解决Chip1的发热量高问题，优化NT板的布局，新的优化设计称为方案a，NT板新旧布局如图1所示，利用风扇吹出的冷风帮助芯片散热，将NT板中温度最高的元器件Chip1（虚线方框中）向上移至风速大的区域，增强了Chip1上方散热器的散热效率，加速了Chip1周围的空气速度，提高了空气的有效利用率。

图1 优化方案a中NT板的新布局

数值仿真计算得出流场的总流量为20.648 5 CFM，变化很小。但是Chip1周围的空气扰动加强，速度从原来的0.2 m/s～0.3 m/s提高到1.5 m/s，器件和环境间的换热率提高，极大的降低Chip1的温度。

通过仿真计算得出机箱主要器件的温度值，见表1所示，NT板上Chip1温度在经过方案a优化后有大幅度降低，尤其是NT2板上Chip1温度降低了19.8℃，上述对芯片散热优化布局的分析得到实验印证，达到了通过优化加强散热的预期目的。测得板卡上其他元器件温度升降幅度很小，不超过1℃，可以忽略不计。

表1 方案a优化后元件温度的仿真结果

方案a的应用，成功的将Chip1的温度降到合理的范围100℃以内，对其他元件的散热毫无影响。而Chip44是板卡上温度最高的元器件，优化后的温度最高为101.7℃.如表1所示。

3 元器件叉排布局对散热的影响

方案b是为了能将Chip44温度降低到合理的范围，LT板的布局优化是考虑将元器件错开排布，可以加强对Chip4的热扩散，增加尾部气流扰动。机箱中LT板新布局如图2所示，为了避免上游元器件释放的热量就不会对下游元器件产生影响，交错排布LT板卡上主要发热元器件芯片Chip41，Chip42，Chip43和Chip44，由此，下游元器件避开速度真空区，增强散热效果。微调其他元器件的位置为Chip44错开排布提供空间，将Chip2和Chip3移到LT板右侧上方，调整其他发热量小和不发热的器件的位置。

图2 优化方案b中LT板的新布局

再次模拟仿真得出流场的总流量为20.6643CFM，有所增加。通过对原布局和优化布局分析，LT2板上Chip44的散热器速度和温度分布，结果发现Chip44散热器迎风面速度从0.62 m/s提高到0.95 m/s，背风面速度从0.35 m/s提高到0.36 m/s.在流线方向上的两侧的速度从0.61 m/s～0.65 m/s提高到0.74 m/s～1.16 m/s.通过分析应用优化布局后，Chip4的迎风面速度和侧面速度分别提高52.4%和50.8%，错开排布增强了空气扰动，使下游元器件和流体频繁的对流换热，可以直接冲击芯片空气范围加大。同时，错开排布的布局方式令器件表面的层流边界层被打破，器件表面和周围环境不断的进行换热，加速器件冷却速度，散热效果显著提高，流动边界层重新生成发展。

Chip44散热器的迎风面温度从80.3℃降到77.3℃，背风面温度从86.9℃降到82.3℃，流场两侧沿流线方向的温度从84.8℃～88.5℃降到74.6℃～82.4℃，迎风面的空气温度在优化布局后降低了3℃，芯片的侧面温度降低了6～10℃，上游的Chip41，Chip42和Chip43在错开排布后发热量降低，Chip44周围的空气热度减弱，风扇出流的未受热的空气直接吹到Chip44上散热。

通过对机箱的仿真计算得出主要器件的温度值，见表2，经过方案a+方案b优化后，LT板上Chip44的温度分别降低5.72℃，5.59℃，3.92℃和3.85℃，验证了两种方案结合的优化布局的分析，达到优化后温度要求的结果。模拟计算分析发现Chip3温度降幅最高达3.85℃.由于Chip2更靠近入风口，环境温度较低，温度有所升高，但仍然控制在98℃以内，不会产生温升过高问题。测出板卡上其他元器件的温度变化在1.6℃以内，基本可以忽略不计。

表2 方案a+方案b优化后元件温度的仿真结果

经过方案a优化后，Chip1周围的空气流动速度加快，从原来的0.2～0.3 m/s提高到1.6 m/s，提高了散热效率，Chip1温度降低很多，特别是NT2板上Chip1温度从105.46℃降低到86.79℃，降低了18.67℃.经过方案a和方案b结合优化后，极大地改善了发热量高的元件的散热环境，四块LT板上Chip44温度分别降低5.73℃、5.60℃、3.92℃和3.85℃，降温幅度比较大。主要发热器件的最高限值110℃，而经过优化后最高温度都被控制在98℃以内，达到优化布局的预期效果，并且还存在较大的设计余量。

4 结束语

为了解决小型机箱中板卡的主要元器件温度过高的问题，本文提出对NT板的布局和LT板的布局分别进行优化的解决方案。利用数值仿真软件，模拟分析不同的散热布局优化方案中机箱内部的温度场、速度场和压力场，得到机箱内主要元件的温度数据。通过分析对比，采用合理的优化方案。基于存在设计余量的前提，还可以考虑其他方式，比如更换风扇盘等来降低成本，此文不展开讨论。

根据阿列纽斯定律[4]，器件环境温度每升高10℃时，失效率就会增加一个数量级。因此，在小型通信机箱的结构设计中，提高电子设备性能和可靠性设计非常重要。对设备和元器件的热特性进行仿真和分析，可以避免高温引起元器件失效，优化散热结构，进而达到有效的热控制。

[1]M.Janicki，A.Napieralski，Modeling electronic circuit radia tion cooling using analytical thermal model[J].Microelectron ics Journal，2000（31）：781-785.

[2]G.I.Sultan.Enhancing forced convection heat transfer from multiple protruding heat sources simulating electronic compo nents in a horizontal channel by passive cooling[J].Microelec tronics Journal，2000（31）：773-779.

[3]庄骏，张红．热管技术及其工程应用[M]．北京：化学工业出版社，2000：355-365.

[4]Mark Spencer Cooper，Investigation of Arrhenius acceleration factor for integrated circuit early life failure region with sev eral failure mechanisms[M].IEEE Transaction on components and packaging technologies，2005.

Optimal Design of Board Heat Dissipation for Small Communication Case

PAN Mei-na
（Shanghai Xin Feng Electronics Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China）

The small telecom chassis due to the high degree of integration of boards and the devices，the overheating problem is significant.As the fan is rotating out of the flow，resulting in the distribution of the flow field is uneven，in order to improve the chassis cooling conditions，should be optimized the layout of NT board.NT board chip1 high temperature problem is more prominent，hoping to be able to reduce it to a reasonable ranges.Due to LT board in the downstream position，karman vortex street will affect the heat component dissipation，change the layout of Chip41，Chip42，Chip43，Chip44 on LT board.After test，we can conclusion the Chip44 temperature decreases as high as 5.72℃.

communication cabinet；board；thermal analysis；optimization design

TN915.05

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0176-03

2017-02-15

潘美娜（1978－），女，吉林人，工程师，硕士，研究方向：机械工程。