【摘要】應(yīng)用專(zhuān)業(yè)電子設(shè)備熱仿真軟件Flotherm輔助對(duì)某電子設(shè)備電源模塊進(jìn)行風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，定量分析了模塊在高溫、常溫下正常工作時(shí)所需的進(jìn)風(fēng)量范圍，并仿真計(jì)算了模塊在該進(jìn)風(fēng)量范圍的風(fēng)道阻力特性曲線(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】電源 熱設(shè)計(jì)；數(shù)值仿真；Flotherm

1.引言

復(fù)雜的機(jī)載電子設(shè)備由于內(nèi)部各功能模塊需要各種不同量值的電壓，需要將機(jī)上輸入的單一電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換以滿(mǎn)足設(shè)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(jī)上空間及有效核載有限，機(jī)載電子設(shè)備向小型化發(fā)展，由于設(shè)備從傳遞文本信號(hào)向傳遞語(yǔ)音、視頻等高密度信號(hào)發(fā)展，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理量急劇增大，設(shè)備向高速化、集成化發(fā)展，這對(duì)設(shè)備的電源模塊提出了很高的要求。同時(shí)，由于電源模塊轉(zhuǎn)換效率有限，平臺(tái)輸入功率的很大一部分都成為了熱功耗。這部分熱功耗會(huì)造成元器件溫度的急劇升高，進(jìn)而影響到電源模塊的工作性能。

某高速寬帶通信設(shè)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(jì)算出設(shè)備正常工作時(shí)電源模塊的熱功耗約為120W。高溫（70℃）下器件工作溫度不超過(guò)100℃。受設(shè)備整機(jī)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(guò)計(jì)算可得設(shè)備體積熱功率密度為4.2×104W/m3。由參考文獻(xiàn)[1、2]可知，在溫升40℃時(shí)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(wú)法滿(mǎn)足本模塊散熱要求，而強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱能力足夠。經(jīng)溝通，機(jī)上可提供入口為5℃的冷卻風(fēng)，風(fēng)量可選，但要求設(shè)備出風(fēng)口溫度不低于60℃，以達(dá)到機(jī)上冷卻源的有效利用，故該設(shè)備最終采用風(fēng)冷冷卻方式。

2.模塊結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

從風(fēng)冷具體形式上看，冷卻風(fēng)掠過(guò)電源板直接冷卻雖然效率高，但根椐以往同類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮到設(shè)備需要進(jìn)行濕熱、鹽霧、電磁屏蔽等環(huán)境試驗(yàn)，電源板直接裸露在風(fēng)道中的形式較難通過(guò)。故采用風(fēng)冷殼體的形式，將器件發(fā)熱導(dǎo)至殼體，再由冷卻風(fēng)帶出。電源模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)道。風(fēng)道殼體表面做導(dǎo)電氧化處理。

電源板上主要發(fā)熱器件有6個(gè)，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(dǎo)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(fēng)道一個(gè)進(jìn)口，兩個(gè)出口，進(jìn)出口的大小和位置由設(shè)備整機(jī)給定。風(fēng)道內(nèi)部設(shè)計(jì)散熱齒（風(fēng)道深度10mm，散熱齒高9.5mm）以提高散熱效率，設(shè)計(jì)散熱齒后風(fēng)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(shè)計(jì)初期模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，目前常用的專(zhuān)業(yè)電子設(shè)備散熱分析軟件有Icepak、FLOTHERM等。本文應(yīng)用FLOTHERM分析模塊的散熱。將簡(jiǎn)化后的電源模塊結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)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(shè)置為25℃和70℃，入口冷卻風(fēng)5℃，固定流量入口。殼體材料Al5A06，器件材料設(shè)為Si_typical，錫箔紙由于厚度太小用一界面熱阻代替。

風(fēng)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(shí)，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(xiàn)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(mǎn)足的模塊散熱風(fēng)量應(yīng)在0.0023-0.0036m3/s之間選擇。此區(qū)間風(fēng)道隨力曲線(xiàn)如圖4所示。

4.結(jié)論

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

（2）應(yīng)用CFD軟件Flotherm可以在模塊設(shè)計(jì)初期方便快速地模擬出設(shè)備的熱性能，對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備還可計(jì)算出風(fēng)阻特性曲線(xiàn)。從而快速確定設(shè)計(jì)方案，從而縮短整個(gè)設(shè)備的研發(fā)周期，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得先機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1989.

[2]張瑜，電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)與分析[J].航空兵器，2011，2.

[3]邱成悌，趙殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001.

[4]李波，等.Flotherm軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2008，24：3.