某大功率发射分机的热设计

何小鸿

摘 要本文针对某大功率发射分机热功耗大、局部热流密度高的特点，对机箱和模块采取了散热冷却技术，提出采用模块、热管与散热器综合一体化设计的散热方式，通过仿真分析和热测试，验证了设备的散热效果，达到了大功率发射分机的热设计要求。

【关键词】热设计 大功率发射 分机热流 密度热管 仿真

1 前言

随着电子设备和系统的集成度越来越高，各种高功率密度元器件的大量应用，使得设备的局部热流密度越来越大。由于高溫对元器件的寿命影响很大，会导致元器件失效，影响电子设备的可靠性，因此，热设计成为电子设备结构设计的关键技术之一。

本文以某大功率发射分机为例，系统地介绍其组成，针对功能模块局部热流密度高的特点，采用热管与风机等综合化设计措施，并通过仿真和设备的热测试，验证了热设计方案的可行性，可为大功率发射机的散热设计提供参考。

2 整机的热设计

该大功率发射分机的热耗主要集中在电源模块和大功率发射模块，为了有效提高设备的热传导效率，在结构设计时，应充分结合产品的体积、质量和散热功耗大小以及热阻，对整机的各功能模块进行合理布局和优化设计有尤为重要。

2.1 热负荷

初步预估大功率发射分机机箱内部各功能模块的热损耗如下表所示。大功率发射分机功能模块热耗分布如表1所示。

2.2 热分析和计算

大功率发射分机安装在车载方舱中，其环境温度为55℃，而设备的极限使用温度为85℃，预留5℃的余量，可得出温升ΔT=85-55-5=25℃。

大功率发射分机功能模块总热功耗预计1320W，由机箱的几何尺寸为：500mm×420mm×132mm，可得出整机表面热流密度

根据热流密度——温升图表，如图1所示。当温升为25℃时，大功率发射分机需采用强迫风冷的散热方式。

2.3 热设计措施和方法

针对大功率发射分机内部电源和功放模块热量集中，尤其功放管的热耗高的特点，如何减少热阻、提高模块内部温度均匀性，对于大功率发射分机的防热设计采用如下措施：

2.3.1 热量的合理分布

在大功率发射分机的布局上对各功能模块进行综合考虑和优化设计，将发热量大，功耗高的大功率发射模块和电源模块分别与机箱外壁连为一体，充分利用机箱外壳、底座及散热器进行热传导，能迅速将热量向四周发散。对发射模块中6个大功率功放管发热元件进行合理分布，并直接与腔体紧密贴合，在腔体内表面采用镀金导热工艺，同时对于热敏感和耐热低的元器件、电路或部件布局尽量远离热源分布，如图2所示。

2.3.2 整机风道和散热器设计

整机的风道设计对设备的散热起到直接作用，一般平行风道的冷却系统，要求气流进入机箱后，形成高的静压和低的动压，以便提高冷却效果、降低出口和弯曲处的压力损失。为防止气流回流，进口风道截面积应大于各分支风道截面积总和。

机箱后面板为风扇安装区，机箱前后面板开通风孔，风扇朝机箱后面抽风，自后向前形成负压，风从前面经模块间的风道向后面运行，带走模块上的热量。整机的风道和散热器剖视图，如图3所示。

为提高电源模块和大功率发射模块的散热效率，将模块与散热器进行综合一体化设计，利用功能模块的背面空间设计成散热器，可以有效降低传统设计中模块与散热器之间的热阻和热传递损失，并在保证散热的前提下，尽量减少体积、重量。

2.3.3 热管及其他散热措施和方法

热管是利用蒸发相变的原理获得一个均匀的温度场，降低了温度梯度，其热阻很小，具有很高的导热性能，可以大幅度提高设备的传热能力。

大功率发射模块的几何尺寸为：410mm×400mm×40mm，根据热流密度公式可以计算出大功率发射模块局部的表面热流密度约为0.32W/cm2，虽然整机的表面热流密度允许采用强迫风能散热，但由于大功率发射模块发热集中，其表面热流密度超过了强迫风冷的极限值，为降低大功率发射模块的表面热流密度和功放管壳的温度，采用了换热效率高的热管导热技术。

在大功率发射模块背面通过采用热管与散热器一体化的设计方式，避免功放管的热量过渡集中，使热量在模块内部能有效分布，能迅速降低大功率功放管安装面的温度，并将热量传导出去。热管模型及内部结构布局如图4所示。

同时，为解决低频大功率管的绝缘、散热问题，在管壳与散热器之间涂氮化硼硅脂等绝缘导热材料，并在合成功放模块与热管散热器的安装面之间采用涂导热硅胶等方法。另外，为降低散热器的热阻，可提高其表面加工粗超度等级措施。

2.4 风机选择

根据大功率发射分机的使用条件，要求整机在环境温度为55℃的条件下，仍能正常、可靠工作，已知：大功率发射分机总耗散功率为1320W，假定整机出口温度为70℃，即温差为15℃，可得出空气的定性温度Tm=0.5×（55+70）= 62.5℃。查相关资料，62.5℃时的空气参数为：空气比容热Cp=1006 J/kg·℃，空气密度：ρ=1.06kg/m3，根据热平衡方程：

可计算得到整机总需求通风量为Qf=297m3/h，考虑风机的效率及沿程压力损失对通风量的影响，取安全系数为1.4，则总通风量需求为416m3/h。再根据整机温升及结构设计要求，选取3个型号为4412FM的轴流风机，单个风机最大风量为140m3/h。主要性能参数如图5所示。

3 热仿真与测试评估

根据以上结构布局，采用ICEPAK对机箱强迫风冷散热进行分析。初始设定3个风机分别工作在压力流量匹配点为：流量140m3/h，压力降130Pa状态下；在模块内部器件分布不明的条件下，对各模块设定为体积热耗，设定工作环境温度为+55℃，进行强迫风冷散热仿真，电源模块和大功率发射模块的仿真结果如图6和图7。

从温度云图分布可以看出，电源模块和大功率发射模块的散热设计和措施非常有效，模块的最高温升小于21℃，整机的热量通过传导和风机的强迫风冷可以满足散热要求。

该大功率发射分机在装配调试后，用ATM2000温度测试仪分别对模块和整机进行多点温度测试，电源模块和大功率发射模块的表面散热数据与仿真数据接近，实际散热效果良好。测试结果表明该散热设计有效可靠，可以保证设备内部元器件不超过安全温度，能长时间稳定运行。

4 结束语

在大功率发射分机的热设计中，我们根据设备的工作环境，结合整机和各功能单元的技术参数指标，提出最佳的热设计方案。针对发热量集中和热流密度高的特点，采用导热率高的热管技术，通过热管与散热器的一体化设计，以及优化风道等综合设计方法和措施极大提高设备的散热性能。同时，采用ICEPAK软件对整机和功能模块进行了热仿真分析，仿真与设备的热测试结果表明，热设计措施有效，该大功率发射分机可以满足高温环境的使用要求。

参考文献

[1]南京工学院.电子设备结构设计原理[M].南京：江苏技术出版社，2001.

[2]王加路，吴强，赵树伟.Ku波段多路大功率放大器热设计[J].电子机械工程，2015.

[3]余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

作者单位

四川九洲电器集团有限责任公司工程技术部 四川省绵阳市 621000