某地面通信设备结构散热设计

摘  要：本文介紹了某地面通信设备结构散热设计过程，在满足总体单位提出的结构尺寸需求下，通过对元器件发热量以及热量传播方式的分析，设计出传导配合自然对流散热机箱以及强迫风冷机箱两种方案，并采用ANSYS Icepak软件进行温度仿真验证，通过合理设置环境条件和求解参数，计算出温度仿真云图，得到关键元器件工作温度，结果表明两种机箱方案均满足散热需求。

关键词：通信设备;散热设计;温度仿真

中图分类号：TN02;TN802      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）12-0050-04

Abstract：This paper describes the heat dissipation design process for the ground communication equipment. In order to meet the structural size requirements proposed by the general unit，two kinds of conduction schemes combined with the natural convection radiator box and the forced fan box were designed by analyzing the heating and heat transfer modes of the components. Temperature simulation was performed using ANSYS Icepak software. By reasonably setting the environmental conditions and solving the parameters，the temperature simulation cloud is calculated，and the working temperature of key components is obtained. The results show that the two cabinet schemes can meet the heat dissipation requirements.

Keywords：communication equipment;thermal design;temperature simulation

0  引  言

随着地面通信设备电路特征尺寸减小以及元器件布局的密集化，单位面积上的产热量急剧增大，这对结构散热设计提出更严苛需求，为保证设备不产生热失效而能够正常运转，选用合适的冷却方式与优化结构布局将热量耗散掉已成为产品研发的重要突破点。

散热方式包含自然对流、热辐射、热传导三种，在实际产品设计中需要依据产品使用环境及相应的结构设计要求选用合适的散热方式以降低元器件温度，地面通信设备常采用自然对流或者强迫对流散热方式，采用自然对流散热方式时需要对高热耗的元器件加装散热冷板和导热垫，扩大散热面积以减小散热热阻;采用强迫风冷时需选用合适的风扇，优化风道与印制板模块布局以减小风道阻力损失，同时又要兼容电磁兼容性与结构三防性等其他要求。无论采用哪种设计方案，均需要采用仿真计算模拟设备散热情况，发现散热薄弱环节，在满足整体结构设计要求前提下更新结构布局，满足散热需求。

1  机箱结构要求

地面通信设备总体尺寸按照GB/T3047.4-1986《高度进制为44.45mm的插箱、插件的基本尺寸系列》进行设计[1]，符合标准19英寸2U机箱设计要求，外形尺寸为482.6mm×540mm×88mm，可直接安装于标准机架内，便于使用和维护。

内部印制板模块安装牢固，并便于拆卸维修，印制板关键元器件在给定的室内机柜环境中正常工作，合理控制温升以保证设备整体热可靠性。

2  散热方式分析

设备放置于室内配有冷却系统的机柜中，工作环境较为良好，工作温度控制为0℃～40℃，设计时取环境温度的上限40℃。设备内部由2块基带信号处理板、1块主控板、1块中频信号预处理板、1个射频信号处理单元及电源等组成。单块基带信号处理板热功耗大约20W，主控板热功耗大约12W，中频信号预处理板热功耗大约20W，射频信号处理单元热功耗大约15W，电源效率为85%，即剩余的15%转化为热功耗，为15W，主机热源具体参数见表1所示。

每块印制板含有不同的元器件，主要发热器件为FPGA、DSP、AD转换器，具体热功耗如表2所示，基带信号处理板发热量均匀布置于整个电路板上。

根据表1可以计算出设备总热功耗：P=102W

设备外形尺寸为：482.6mm×540mm×88mm，机箱区域尺寸为420mm×530mm×88mm，设备在实际使用时要装入机柜中，若仅采用自然对流及辐射散热方式，则有效散热面积为上下盖板。

箱体的散热面积：S=2×（42×8.8+53×8.8）=1672cm2

表面热流密度：Φ=P/S=6.1×10-2W/cm2

设备工作温度为40℃，印制板发热器件的最高工作温度为75℃，整机内部温升应控制在35℃以下。根据单位传热面积的热流与温升的关系图[2]，在温升35℃以下，同时满足热流密度6.1×10-2W/cm2时，可以采用内部冷板传导配合外部自然对流散热或者强迫风冷两种散热方式。

3  传导配合自然对流机箱设计

采用传导配合自然对流散热时，结构设计如图1所示，在基带信号处理板及中频信号预处理板主要发热芯片上加装冷板，其中基带信号处理板位于数字信号处理板下方，在芯片和冷板之间粘贴厚度0.5mm、热传导率12W/mk的柔性导热垫。机箱盖板上安装导热块，对中频信号预处理板上主要发热芯片进行传导散热。同时盖板及侧板开散热槽，增大壳体散热面积。主要散热路径为发热元器件热量经过导热垫传至冷板，冷板继续将热量传递到盖板，最后通过盖板以自然对流和辐射方式耗散至机柜大环境中。

选择ANSYS仿真软件对主机进行热仿真计算。热模型的建立：

（1）使用ANSYS Design Modeler将由UG NX7.0导入的机箱模型进行简化，略去螺钉、螺母圆角、安装孔等不影响热路模型的局部細节及小插件;

（2）通过ANSYS Workbench平台将Design Modeler简化后的模型导入ANSYS Icepak软件;

（3）按照正确的传热路径，建立系统的热分析模型，开启热辐射模型与对流模型，设置合适的离散方程、求解状态、计算精度等;

（4）设置机箱壳体与冷板材料为铝，表面涂镀发射率0.9，芯片按常规封装材料设置，PCB材料设为FR-4;

（5）建立印制板导轨锁紧条与机箱框架的接触热阻，建立印制板元器件与冷板凸台的接触热阻，均为0.56℃/W;

（6）环境温度设为40℃;

（7）设置机箱总功耗为102W，导热垫热导率为12W/mk，在ANSYS Icepak中建立合适的网格划分方案，检查网格完好性后进行求解。

仿真结果如图2所示，主机温度比较高的地方主要分布在中频信号预处理板的FPGA上以及基带信号处理板的FPGA上，最高温度为73.6℃，在芯片工作温度的范围内。另外，数字信号处理板中最高的芯片温度大约为68.0℃;其余模块温度均小于65.2℃，满足印制板最高工作温度75℃的要求。

4  强迫风冷机箱设计

采用强迫风冷散热时，在机箱前面板上安装两个风扇，风扇的流速依据设备发热量与设备自身风阻确定[3]，在后面板开有通风孔，同时盖板及侧板开散热槽，增大壳体散热面积，如图3所示。采用本方案时热量主要由冷却空气直接耗散到机柜环境中，机箱壳体自然对流与辐射耗散的热量可忽略不计[4]。

热仿真模型建立过程与传导配合自然对流方案相近，参数设置如下：

（1）使用ANSYS Design Modeler将由UG NX7.0导入的机箱模型进行简化，略去螺钉、螺母圆角、安装孔等不影响热路模型的局部细节及小插件;

（2）通过ANSYS Workbench平台将Design Modeler简化后的模型导入ANSYS Icepak软件;

（3）按照正确的传热路径，建立系统的热分析模型，开启热辐射模型与强迫对流模型，设置合适的离散方程、求解状态、计算精度等;

（4）风扇流量30m3/h，冷却空气温度设为20℃，环境温度按40℃进行计算;

（5）抗干扰板上的芯片和导热块之间加入1.5mm厚度导热垫片，热导率1.5W/mk，在支架和PCB板，支架和流道之间加入接触热阻;

（6）设置机箱壳体材料为铝，表面涂镀发射率0.9，芯片按常规封装材料设置，PCB材料设为FR-4。

仿真结果如图4所示，主机温度比较高的地方仍然是基带信号处理板的FPGA上，大约72.3℃;中频信号处理版、数字信号板、主控板上元器件温度均小于65℃，在元器件最高工作温度75℃的范围内，满足工作要求。

5  结  论

综上所述，本文从整机工作环境、内部元器件发热量、散热路径等方面综合分析，设计出两种符合外形尺寸及散热需求的结构方案，并通过仿真予以验证，满足元器件最高工作温度要求，达到总体单位提出的技术要求。为进一步改善散热性能，也可将冷板材料选用为铜以提高热导率，增大风扇冷却空气流量以降低整体温升，但同时会增加整机重量与功耗，总之需要合理平衡散热设计与结构设计需求，提升产品综合性能。

参考文献：

[1] 周建军，葛跃进.卫星监测站接收机机箱的结构设计 [J].机械工程师，2007（12）：106-108.

[2] 赵惇殳.电子设备热设计 [M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 张兆顺，崔桂香.流体力学 [M].第2版.北京：清华大学出版社，2006.

[4] 杨世铭.传热学基础 [M].第2版.北京：高等教育出版社，2003.

作者简介：郑晓东（1991-），男，汉族，黑龙江海伦人，结构设计师，助理工程师，研究生，研究方向：电子设备结构设计。