环境对模块内部相对温度分布的影响研究

环境对模块内部相对温度分布的影响研究

刘冠宏

（中国电子科技集团公司第二十研究所西安710068）

工程上有时候模块内部的温度不易监测，如果知道模块内部及外壳一些主要点的温度差，可以利用它通过模块的表面温度估算其内部温度。设备的实际工作环境复杂多变，论文对能否用某一环境条件下的相对温度分布情况推断其他环境条件下的相对温度分布做了研究。文章以某电子设备功放模块为例，使用专业热仿真软件Flotherm分析了不同的环境因素对模块内部各个监测点间温度差的影响情况，并且通过实测进行了验证。

电子设备；温度分布；Flotherm

Class NumberTN919

1 引言

电子技术正在飞速发展，越来越大设备的功率密度分布，使散热不良导致的热失效成为了电子设备失效的主要形式［1］。据有效统计，超过55%的电子设备失效是因为散热有问题引起的［2～3］。因而，与电子设备过热问题相关的热分析、热设计和热测试技术得到了迅速发展［4］。电子设备在实际工作中可能处于环境条件恶劣并且设备内部温度不宜测量的情况，这时对电子设备内部温度预估就显得十分必要。如果得知模块内部各主要点间的温度差，就可以通过壳温估算该状态下模块内部温度［5］。那么当环境温度变化时，能否有个通用的温度差可以供我们进行温度估计也显得十分必要。本文针对这一问题，主要研究了不同环境条件下，模块内部各点间的温度差的变化情况。

实际研究中，传统的热力学计算很难解决复杂边界条件的传热结构的设计问题［6］，而通过使用CFD（Computational Fluid Dynamics）软件对产品的热性能进行预估，可以极大地提高效率，降低成本［7］。Flotherm是英国Flomerics公司开发的一款强大的三维CFD电子系统散热仿真软件［8～9］，已广泛使用在热设计相关问题中。本文以某电子设备功放模块为例，在设备内部取了一系列监测点，并且使用Flotherm软件分析了不同环境下模块内部个监测点间温度差的变化情况。

2 理论分析

本文以一个强迫风冷环境下的肋片为例进行分析。肋片尺寸为2mm×10mm×30mm，左端t0，环境温度为tf，若其右端温度为t1，则温度差Δt=t0-t1。该结构散热主要是肋片的热传导和空气的强迫对流散热。图1为其散热示意图［10］。

根据傅立叶方程和牛顿方程，可以得到其数学表达式：

其中记Q为温度变化因子，它是一个和空气的换热系数相关的量。同时从上式可以得出，当散热量发生变化时，温度差随之成比例变化，而散热量是和设备功率成正相关的量，所以设备内温升受设备功率影响很大。

如果认为空气的流速不变，换热系数是和空气的粘滞系数相关的。当设备工作环境在工程适用范围内变化时，粘滞系数的取值为1×10-5～2×10-5m2/s。篇幅所限，直接画出温度变化因子Q随v变化的曲线图，如图2所示。

可以看出其变化比较小，在0.0067～0.0060间变化。所以在工程适用环境条件下，设备内的温度变化量受环境温度以及气压影响不大。

3 仿真模型

本文选用某设备功放模块作为研究对象，双边工作状态，强迫风冷。盒体材料设定为Al-6061，其模块背部有两个微波功率器件，如图3（a）所示，热耗设为2×15W，其模块正面有四个微波发射组件，如图3（b）所示，热耗设为4×50W。

如图1（b）所示，在模块正面设置11个温度测点，以从上往下数第二个功率管为零点，各测点从右往左距零点位置为30，50，70，90，110，135，160，190，220，250mm。其中，第十一个点在设备外壳上。下面就可以仿真模块在不同环境条件下工作时模块内部的温度分布情况。

4 仿真分析

4.1 环境温度的影响

当环境温度为20℃～80℃时，仿真上图各测点温度如表1所示。

表1 不同温度下功放模块内部温度分布

为了直观地反映各测点间的温度变化情况。对上表所示的数据，相邻点作差值，得到温度差的变化曲线（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如图4所示。

图中Xi大于等于110mm时，温度梯度有个拐点。原因从仿真模型图1可以看到，点0～点4在背腔是受风机正吹的，点5～点10位于隔腔要通过传导散热。由于滤波器有一定热耗，所以会出现温度梯度拐点。

可以得到不同环境温度下模块内部温度变化情况几乎相同。

4.2 海拔高度的影响

当海拔高度为海平面、10000ft（3048m）、20000ft、30000ft、40000ft时仿真其温度，如表2所示。从上表可以看出，随着海拔高度升高，风机工作点下移，体积流量增大，效率提高［11］，但质量流量减小，冷却效率下降，功率管壳温明显上升。

对表2所示的数据，相邻点作差值，得到温度差的变化曲线（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如图5所示。

从图中可以看到点0～点4之间温度差变化较为明显，且海拔越高，温度差变化相对越大，但总的绝对值比较小。对于本算例，最大相差约为0.8℃。可以得到不同海拔高度下模块内部温度变化情况略有差异，但是差异较小。

4.3 热源热耗的影响

滤波器功耗仍为2×15W，功率管功耗分别设为4×50W、4×40W、4×30W、4×20W、4×10W，仿真其温度如表3所示。

对表3所示的数据，相邻点作差值，得到温度差的变化曲线（xi，ti-ti-1），i=1，2，…，10，如图6所示。

从图6中可以看出，热耗越大，内部各点温度差的变化越明显。对于本算例，模块热耗从4×50W变成4×10W，最大估算误差约为12℃。可以得到不同热耗下模块内部温度变化情况差异很大。

表3 不同功耗下模块内部的温度分布

4.4 小结

通过上述仿真结果可以看出，在工程适用的环境条件下，环境温度和气压对设备内部各点的温度差值影响较小。而热源功耗则对其影响很大。

5 测试验证

为了验证结论的通用性。本文选用另一电子设备功放模块对以上的仿真结论进行了测试验证。在设备内部及外壳总共取了5个点，控制温箱温度分别为40℃，50℃，60℃，并且通过控制设备的收发信息速率来控制功率。本文用安捷伦热电偶温度测试系统对不同温度条件和功耗条件下的设备内部温度进行了测试［12］。由于气压变化条件下较难测试温度，本文不做验证。实测温度如表4所示。

按顺序取温度差，可以得到温度差的变化曲线，如图7。

通过对比40℃［大功率］曲线和50℃［大功率］曲线以及50℃［小功率］曲线和60℃［小功率］曲线，可以看出环境温度对设备内部各点间温差的影响较小；而通过对比50℃［大功率］曲线和50℃［小功率］曲线，可以得到热源的功耗对其影响较大。这与仿真结果相吻合。

表4 某功放模块内各点温度数据

6 结语

本文通过Flotherm，对不同环境条件下设备内部各点温度的相对关系进行了仿真研究，并且通过实际测试进行了验证。在工程适用的环境条件下，当外部环境中的温度和气压变化时，设备内部各点间的温度差变化很小。当热源功耗变化时，设备内部各点间的温度差会有较大变化，温度差会变大。通过以上研究，当外部环境条件变化时，可以通过壳温和已知某一环境条件下设备内部的温度差，更好地对设备内部的温度进行预测。

［1］姜磊鹏.基于Flotherm的某电子设备功放模块优化设计［J］.舰船电子对抗，2016（2）：112-114.

［2］刘建林.热管散热器散热性能的实验研究与数值模拟［D］.天津：天津商业大学，2009.

［3］周慧敏.电子设备核心元件热结构设计与分析［D］.南京：南京理工大学，2013.

［4］程尚模.传热学［M］.北京：高等教学出版社，1990.

［5］Thomas Hunger，Reinhold Bayerer.功率循环测试中衬底焊接层的可靠性［J］.大功率变流技术，2010（4）：1-4.

［6］崔天福，丁晓红，侯丽园.基于密度法的传热结构拓扑优化设计［J］.上海理工大学学报，2014（6）：548-555.

［7］丁海昕.通用计算流体力学软件框架设计［D］.长沙：国防科学技术大学，2012.

［8］杨雄鹏，周晓东，陈长安，等.基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计［J］.电力电子技术，2013，47（3）：54-56.

［9］丘东元，何文志，张波，等.基于Flotherm软件的电力电子装置热分析［J］.电气电子教学学报，2011，33（2）：50-51.

［10］赵惇殳.电子设备结构设计原理［M］.南京：江苏科学技术出版社，1986.

［11］李善武，郑高飞，陈东，等.对流干燥系统中风机选用［C］//全国干燥技术交流会，2013.

［12］Mark Bally.提高高噪声环境中的热电偶温度测试精度［J］.电子设计应用，2008（9）：96-96.

Influence of Environment on Distribution of Relative Temperature Inside Module

LIU Guanhong
（No.20 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Xi'an710068）

Sometimes the temperature inside the module is not easy to monitor，if the temperature difference of the module's and the shell's some main point is known，the module's surface temperature can be used to estimate its internal temperature.The ac⁃tual working environment of the equipment is complicated and changeable.In this paper，a study is made which the relative tempera⁃ture distribution under other environmental conditions can be inferred from the relative temperature distribution under certain envi⁃ronmental conditions.This paper takes an electronic device power amplifier module as an example to analyze the influence of differ⁃ent environmental factors on the temperature difference between the various monitoring points in the module，and uses the profes⁃sional thermal simulation software Flotherm to analyze the influence of the temperature difference between the monitoring points，and it is verified by the test.

electronic equipment，temperature distribution，Flotherm

TN919

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.030

2017年2月9日，

2017年3月25日

刘冠宏，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：机械电子工程。