【摘要】應用專業(yè)電子設備熱仿真軟件Flotherm輔助對某電子設備電源模塊進行風冷系統(tǒng)設計，定量分析了模塊在高溫、常溫下正常工作時所需的進風量范圍，并仿真計算了模塊在該進風量范圍的風道阻力特性曲線。

【關鍵詞】電源 熱設計；數(shù)值仿真；Flotherm

1.引言

復雜的機載電子設備由于內部各功能模塊需要各種不同量值的電壓，需要將機上輸入的單一電壓進行轉換以滿足設備工作需求，所以一般都需要自帶電源模塊。另一方面由于機上空間及有效核載有限，機載電子設備向小型化發(fā)展，由于設備從傳遞文本信號向傳遞語音、視頻等高密度信號發(fā)展，實時數(shù)據(jù)處理量急劇增大，設備向高速化、集成化發(fā)展，這對設備的電源模塊提出了很高的要求。同時，由于電源模塊轉換效率有限，平臺輸入功率的很大一部分都成為了熱功耗。這部分熱功耗會造成元器件溫度的急劇升高，進而影響到電源模塊的工作性能。

某高速寬帶通信設備由數(shù)據(jù)處理、功放和電源等模塊組成。根據(jù)系統(tǒng)功能計算出設備正常工作時電源模塊的熱功耗約為120W。高溫（70℃）下器件工作溫度不超過100℃。受設備整機尺寸限制，分配到電源模塊的外形尺寸為寬X高X深=50X190X300（mm）。通過計算可得設備體積熱功率密度為4.2×104W/m3。由參考文獻[1、2]可知，在溫升40℃時空氣自然冷卻的體積功率最大為0.9×104W /m3，故自然散熱已經(jīng)無法滿足本模塊散熱要求，而強迫風冷散熱能力足夠。經(jīng)溝通，機上可提供入口為5℃的冷卻風，風量可選，但要求設備出風口溫度不低于60℃，以達到機上冷卻源的有效利用，故該設備最終采用風冷冷卻方式。

2.模塊結構熱設計

從風冷具體形式上看，冷卻風掠過電源板直接冷卻雖然效率高，但根椐以往同類設備設計經(jīng)驗，考慮到設備需要進行濕熱、鹽霧、電磁屏蔽等環(huán)境試驗，電源板直接裸露在風道中的形式較難通過。故采用風冷殼體的形式，將器件發(fā)熱導至殼體，再由冷卻風帶出。電源模塊結構設計為：模塊由電源殼體、電源板和蓋板組成。

殼體正面腔體中安裝電源板，用蓋板密封，背面腔體與數(shù)據(jù)處理模塊的殼體間為風道。風道殼體表面做導電氧化處理。

電源板上主要發(fā)熱器件有6個，為了減少界面熱阻，各主要發(fā)熱器件先固定在殼體腔底，再將其管腳焊接在印制板上，器件和安裝面間隙填充高導熱系數(shù)的軟錫箔紙以減小界面熱阻[3]。殼體正面布局如圖1所示。

風道一個進口，兩個出口，進出口的大小和位置由設備整機給定。風道內部設計散熱齒（風道深度10mm，散熱齒高9.5mm）以提高散熱效率，設計散熱齒后風道布局如圖2所示。

3.模塊散熱仿真分析

CFD仿真軟件可以在設計初期模擬驗證設計方案的可行性，目前常用的專業(yè)電子設備散熱分析軟件有Icepak、FLOTHERM等。本文應用FLOTHERM分析模塊的散熱。將簡化后的電源模塊結構模型導入Flotherm建立熱仿真模型，分析常溫和高溫下模塊散熱性能。

仿真條件如下[4]：環(huán)境溫度分別設置為25℃和70℃，入口冷卻風5℃，固定流量入口。殼體材料Al5A06，器件材料設為Si_typical，錫箔紙由于厚度太小用一界面熱阻代替。

風道部分和器件部位網(wǎng)格局部加密，考核入口流量在0.0016m3/s至0.0051m3/s之間變化時，器件工作溫度和出口溫度，仿真分析得到器件穩(wěn)態(tài)工作溫度和出口平均溫度隨流量變化曲線如圖3所示（前期仿真分析表明D5溫度最高，故器件僅以D5代表）。

從圖中可以看出，流量大于0.0023m3/s后，高溫下器件工作溫度低于100℃，流量小于0.0036m3/s，常溫下出口流體平均溫度高于60℃。兩者都滿足的模塊散熱風量應在0.0023-0.0036m3/s之間選擇。此區(qū)間風道隨力曲線如圖4所示。

4.結論

（1）對該電源模塊，強迫風冷入口流量在0.0023-0.0036m3/s之間時，既可滿足高溫下器件工作溫度不高于100℃，又可滿足常溫下出口風溫不低于60℃的要求。

（2）應用CFD軟件Flotherm可以在模塊設計初期方便快速地模擬出設備的熱性能，對強迫風冷設備還可計算出風阻特性曲線。從而快速確定設計方案，從而縮短整個設備的研發(fā)周期，在激烈的市場競爭中贏得先機。

參考文獻

[1]電子設備可靠性熱設計手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，1989.

[2]張瑜，電子設備熱設計與分析[J].航空兵器，2011，2.

[3]邱成悌，趙殳，蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京：東南大學出版社，2001.

[4]李波，等.Flotherm軟件在電子設備熱設計中的應用[J].電子機械工程，2008，24：3.