張永剛

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510663)

數(shù)字集群通信是一種新型移動通信系統(tǒng)，它除了具備公眾移動通信網(wǎng)(GSM、CDMA)所能提供的個人移動通信服務(wù)外，還能實(shí)現(xiàn)個人與群體間的任意通信，并可進(jìn)行自主編控，是集對講機(jī)、GSM、CDMA和圖像傳輸于一體的智能化通信網(wǎng)。集群基站是通信系統(tǒng)的核心設(shè)備，它的可靠性直接決定了數(shù)字集群系統(tǒng)的可靠性。集群基站設(shè)備越來越向大容量、大功率、高集成度方向發(fā)展，系統(tǒng)的熱耗密度越來越大，環(huán)境適應(yīng)性要求越來越高，而體積卻要求越做越小，熱可靠性已經(jīng)逐漸成為系統(tǒng)可靠性的瓶頸。因此，解決基站設(shè)備的通風(fēng)散熱問題，已經(jīng)成為了基站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計中一項(xiàng)重要的課題。

對于熱功率密度很高的通信基站來說，熱設(shè)計是系統(tǒng)可靠性設(shè)計的重要內(nèi)容之一，當(dāng)溫度超過一定值時電子器件的失效率隨著溫度增加按指數(shù)增加，不合理的冷卻是使電子設(shè)備可靠性降低的主要原因之一，電子設(shè)備的故障20%是由于高溫引起的［1］，完善的熱設(shè)計能大大提高設(shè)備的可靠性。

1 熱設(shè)計仿真技術(shù)

針對電子設(shè)備熱產(chǎn)生機(jī)理與傳播方式，必須對電子設(shè)備的熱場分布進(jìn)行分析研究，采用合理的熱設(shè)計方法，保證電子設(shè)備在允許的溫度范圍內(nèi)工作。電子冷卻分析軟件通過模型建立、模型求解和結(jié)果解釋三方面將電子產(chǎn)品的熱效應(yīng)分析放在了設(shè)計階段，以期解決如下問題：優(yōu)化電子系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù);對電子系統(tǒng)強(qiáng)迫對流和自然對流冷方案進(jìn)行優(yōu)化。電子產(chǎn)品熱設(shè)計中計算機(jī)仿真軟件在界面、精度、可靠性、速度等方面都已成熟。

目前常用的熱仿真軟件具有如下特點(diǎn)：

a．采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠針對復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，有多種網(wǎng)格生成方法，能夠滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計中幾何形狀越來越復(fù)雜的要求。

b．提供豐富的物理模型，可以模擬自然對流、強(qiáng)迫對流、混合對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射、流-固的耦合換熱、層流、湍流、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)等流動現(xiàn)象。

c．利用熱仿真軟件可以模擬真實(shí)的溫度場、壓力場，幫助設(shè)計師確定合理優(yōu)化的方案，提高設(shè)計水平，降低成本，縮短項(xiàng)目研制周期。特別在以流體流動為重點(diǎn)的設(shè)計中，更能發(fā)揮出有限體積法的優(yōu)勢。

2 基站的散熱設(shè)計與仿真分析

基站整機(jī)功耗為820W，其中功放單元功耗700W，電源功耗100W，其他元器件約20W。功放單元的熱設(shè)計是整個系統(tǒng)熱設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一?；居呻娫磫卧?、信道單元、功放單元及天饋單元等組成(單元排列順序如圖1所示)。

2.1 功放單元的散熱設(shè)計

功放單元的溫度控制主要是控制功率管的結(jié)溫。生產(chǎn)廠商一般將器件的最高結(jié)溫規(guī)定為90℃ ～150℃?？煽啃匝芯勘砻?，對于使用功率元件的電子設(shè)備長期通電會使殼體溫度超過95℃，將導(dǎo)致故障率大大增加。故要求功率管殼體溫度，即散熱器底板溫度(先忽略安裝時的接觸熱阻)應(yīng)低于95℃，為了提高工作可靠性，還應(yīng)盡可能地降低功放單元的溫度。

圖1 數(shù)字集群基站結(jié)構(gòu)示意圖

功放單元工作時的發(fā)熱功率共約700W(4個功放管SD56120M)，功率相對較大，因此單靠散熱器自然冷卻不能完全解決其冷卻問題，針對功放單元功耗較大、熱流密度大等問題，可采用氣冷式冷板方式散熱(如圖2所示)，其具有以下特點(diǎn)：(1)采用獨(dú)立風(fēng)道，發(fā)熱器件不與冷卻空氣直接接觸，避免灰塵，潮濕空氣進(jìn)入單元板內(nèi);(2)冷板內(nèi)部溫度梯度小，熱分布均勻，可帶走機(jī)箱內(nèi)部較大的集中熱負(fù)載;(3)具有較大的換熱面積，流體通道的當(dāng)量直徑較小，換熱系數(shù)較高;(4)冷板裝置的組件簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便;(5)與直接冷卻(浸沒冷卻)相比，冷卻劑的消耗少，同時也便于有效地調(diào)節(jié)冷卻劑，以提高其冷卻效率［2］。

圖2 冷板結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 整機(jī)風(fēng)道設(shè)計

整機(jī)散熱采用抽風(fēng)方式，因整機(jī)有防滴雨要求，頂部及機(jī)柜前部須設(shè)防雨罩和活動門，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置于機(jī)柜前側(cè)底部，出風(fēng)口設(shè)置于機(jī)柜背部功放單元及電源單元尾部(具體如圖3所示)。

2.3 冷卻空氣流量的分配

基站功耗主要分布在功放單元及電源單元，如何分配兩個單元的冷卻氣流分配比例成為散熱問題的關(guān)鍵。不同結(jié)構(gòu)模型因確定的功耗分布情況及特定散熱結(jié)構(gòu)存在最佳氣流分配比例，通過熱仿真可以尋找到最佳氣流分配比例，從而達(dá)到兼顧功放單元與電源單元的散熱效果。在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，所選風(fēng)機(jī)風(fēng)量及各單元面板開孔率成為影響氣流分配比例的主要因素。

圖3 整機(jī)風(fēng)道設(shè)置示意圖

2.4 仿真分析

在計算求解之前對仿真模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。環(huán)境溫度：20℃。網(wǎng)格數(shù)：900 000。湍流模型：標(biāo)準(zhǔn)k-e模型。

標(biāo)準(zhǔn)k-e模型是個半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動能和擴(kuò)散率，k方程是精確方程，e方程是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。標(biāo)準(zhǔn)k-e模型需要求解湍動能及其耗散率方程，湍動能輸運(yùn)方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過物理推理、數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的，是目前工程流場計算中主要的工具，適用范圍廣，比較經(jīng)濟(jì)，有足夠的精度。

本次選取5組不同流量比的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行仿真，綜合考慮兩個單元的溫升情況，或者根據(jù)設(shè)定的溫升權(quán)重分配選取最佳參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 不同流量比的仿真結(jié)果對比

由表1可見，當(dāng)流量比為1∶1．1時，雖然電源單元溫升僅為27．1℃，但功放單元溫升為73．6℃，過多的流量分配到電源單元，使得功放單元的冷卻空氣流量不足;當(dāng)流量比上升到1∶8．0時，功放單元溫升為70．3℃，但電源單元溫升達(dá)62．5℃，雖然通過功放單元的空氣流量大幅提升，但溫升相比第3組只降低了0．5℃，由此可見，當(dāng)流量超過一定范圍，增大流量對冷板散熱能力提升不大，另一方面通過電源單元的空氣流量不足，其溫升急劇上升。綜合考慮，第3組參數(shù)的綜合散熱效果最優(yōu)，其溫度分布如圖4所示。

圖4 整機(jī)溫度分布圖(流量比為1∶2．8)

3 結(jié)論

a．針對各單元的功耗及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇了合理的散熱方式。

b．根據(jù)基站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理設(shè)計系統(tǒng)風(fēng)道，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量及面板開孔率可改變空氣流量比例，進(jìn)一步通過仿真對比找到最優(yōu)的空氣流量比例，以達(dá)到最優(yōu)的散熱效果。在散熱設(shè)計中應(yīng)綜合、準(zhǔn)確地把握這些結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用先進(jìn)的設(shè)計手段和方法找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

c．針對冷板散熱，由仿真結(jié)果可以看出當(dāng)空氣流量超過一定范圍，增大流量對冷板散熱能力提升不大，在工程設(shè)計中應(yīng)注意這一特點(diǎn)。

［1］ 王錫吉．電子設(shè)備可靠性工程［M］．西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1999：50．

［2］ 趙惇殳．電子設(shè)備熱控制技術(shù)［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1992：81-82．