王加路，吳 強(qiáng)，趙樹偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所， 山東 青島 266555)

Ku波段多路大功率放大器熱設(shè)計(jì)*

王加路，吳 強(qiáng)，趙樹偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所， 山東 青島 266555)

功率放大器是雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)的重要部件之一，隨著其大功率、小型化、集成化、高可靠性要求的提高，大功率放大器的散熱性能成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。文中基于CFD熱仿真軟件Flotherm對(duì)某Ku波段多路大功率放大器進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，討論了傳熱學(xué)的基本理論，進(jìn)行了系統(tǒng)散熱方案設(shè)計(jì)以及放大器腔體結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)，優(yōu)化了散熱器結(jié)構(gòu)尺寸。最終在35 ℃環(huán)境溫度下，對(duì)放大器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真，得到了功率放大芯片的溫度以及散熱風(fēng)扇的風(fēng)速，仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)要求。

多路大功率放大器；Flotherm；熱設(shè)計(jì)

引 言

功率放大器作為雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)的重要部件之一，其主要作用是在要求的發(fā)射頻率上將信號(hào)放大到足夠的發(fā)射功率以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸[1]。通常，單片功率放大芯片受半導(dǎo)體物理特性、散熱、工藝等問(wèn)題的限制，輸出功率、輸出效率有限。為此，大功率放大器通常采用多路逐級(jí)放大、功率合成的技術(shù)[2-3]。

對(duì)于多路大功率放大器，信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)對(duì)輸出功率要求提高的同時(shí)，對(duì)放大器的結(jié)構(gòu)尺寸也要求小型化、集成化。在輸出效率一定的條件下，輸出功率增大將直接導(dǎo)致整機(jī)耗散功率的增加。此外，小型化、集成化導(dǎo)致多片尺寸較小的功放芯片集中分布，芯片處熱流密度大幅增加，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重，芯片節(jié)溫較高。研究表明隨著溫度的升高，電子設(shè)備的失效率成指數(shù)增長(zhǎng)[4]。因此，大功率放大器的散熱性能成為制約其指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要因素。合理的熱設(shè)計(jì)與熱分析對(duì)大功率放大器設(shè)計(jì)具有重要的作用。

1 傳熱學(xué)基本理論

熱量傳遞是由于溫差而產(chǎn)生的能量傳遞。熱量傳遞的方式可分為傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射3種。

熱傳導(dǎo)是由于物體內(nèi)部的溫度梯度引起的熱量傳遞，根據(jù)熱傳導(dǎo)的傅里葉定律，可由式(1)表達(dá)[5]。

(1)

式中：q為熱流密度，W/m2；T為物體內(nèi)部溫度，K；x為物體等溫面法向坐標(biāo)，m；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，是由物質(zhì)的溫度、材質(zhì)、狀態(tài)等決定的固有屬性。在給定材料、邊界條件、初始條件后，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞的熱量很容易仿真計(jì)算。

對(duì)流傳熱是由于流體的移動(dòng)引起的熱量傳遞，根據(jù)牛頓冷卻定律可由式(2)表達(dá)[5]。

q=h(T1-T2)

(2)

式中：T1為固體表面溫度，K；T2為冷卻流體溫度，K；q為局部熱流密度，W/m2；h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。對(duì)流傳熱系數(shù)不同于導(dǎo)熱系數(shù)，流動(dòng)狀態(tài)下因物體表面各處性質(zhì)不同，對(duì)流傳熱系數(shù)在各局部也不同。

輻射傳熱指物體通過(guò)電磁波向空間傳遞熱量，屬于非接觸傳熱。根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律，物體的輻射能可由式(3)表達(dá)[5]。

q=εσT4

(3)

式中：T為物體表面溫度，K；q為輻射熱流密度，W/m2；ε為發(fā)射率；σ為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)，W/(m2·K4)。物體表面之間的輻射換熱仿真計(jì)算極為復(fù)雜，且本文所述多路大功率放大器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，熱傳導(dǎo)和對(duì)流是主要的傳熱方式，故在本文熱分析中不考慮輻射傳熱。

2 結(jié)構(gòu)熱分析與熱設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

本文所述某Ku波段多路大功率放大器整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為保證整機(jī)整體重量、強(qiáng)度、剛度、電磁兼容性等要求，腔體采用比重小、熱傳導(dǎo)率大的6061鋁合金整體加工成型，各模塊安裝其中。電源和功率放大器是整機(jī)最大熱源，其產(chǎn)生的熱量主要經(jīng)過(guò)底壁通過(guò)熱傳導(dǎo)傳至散熱器，最終通過(guò)4個(gè)風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷散至周圍環(huán)境中。

圖1 放大器整機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 熱源分析

功率放大器采用7個(gè)功率放大芯片進(jìn)行3級(jí)功率放大，并最終通過(guò)功率合成器進(jìn)行空間功率合成。每個(gè)功率放大芯片熱損耗約為40 W，尺寸為12 mm × 12.9 mm × 5.2 mm；電源熱損耗約為75 W，尺寸為117 mm × 56 mm × 12.7 mm。可計(jì)算出單個(gè)芯片的體積功率密度約為電源的55倍，且7個(gè)功率放大芯片集中安裝在放大器腔體中，因此放大器芯片為散熱的關(guān)鍵器件。

2.3 放大器腔體結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

放大器腔體結(jié)構(gòu)如圖2所示。主視圖陰影處為功放芯片安裝處，功放芯片均勻分布在腔體上，以避免熱源集中導(dǎo)致局部過(guò)熱。芯片下方的腔體采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，7個(gè)芯片的熱量通過(guò)腔體直接傳導(dǎo)至整機(jī)底部散熱器，可減少傳導(dǎo)熱阻。底部其他部分掏空，安裝控制電路板并為整個(gè)模塊減輕重量。此外，安裝過(guò)程中芯片底部以及腔體底部均涂抹導(dǎo)熱脂以減小接觸熱阻。

圖2 放大器腔體結(jié)構(gòu)

3 仿真建模與邊界條件設(shè)置

3.1 仿真模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

熱分析前需對(duì)整機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略倒角、螺釘孔等細(xì)節(jié)特征，刪除電纜、接頭、印制板等對(duì)系統(tǒng)散熱影響較小的部件。將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入Flotherm，并劃分網(wǎng)格。Flotherm采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，為不影響仿真精度的同時(shí)提高仿真速度，基礎(chǔ)網(wǎng)格采用中等精度網(wǎng)格劃分，并設(shè)置好網(wǎng)格平滑過(guò)渡。為得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，腔體、散熱器、芯片通過(guò)局域化網(wǎng)格劃分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，劃分好網(wǎng)格的模型如圖3所示。

圖3 仿真模型網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件設(shè)置

放大器實(shí)際工作在室溫20 ℃～30 ℃，為保證設(shè)計(jì)余量，仿真中設(shè)置環(huán)境溫度為35 ℃。壓力邊界條件設(shè)置絕對(duì)壓力為101 325 Pa，相對(duì)壓力為零。腔體及內(nèi)部各模塊材料均為6061鋁合金，其導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為180 W/(m·K)。

3.3 風(fēng)扇參數(shù)對(duì)比

根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸選擇ADDA系列的7015以及8015兩種風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)比仿真。風(fēng)扇特性曲線如圖4所示，將其導(dǎo)入Flotherm可以發(fā)現(xiàn)，相同靜壓條件下，8015風(fēng)扇的風(fēng)量約為7015風(fēng)扇的1.2～1.3倍。

圖4 風(fēng)扇特性曲線

4 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

如前所述，降低功放芯片的溫度，使其工作在合理溫度范圍內(nèi)是本多路大功率放大器熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。所選功放芯片的額定功率減額曲線如圖5所示，在耗散功率為40 W的前提條件下，芯片殼溫需保證在80 ℃以下。

圖5 芯片額定功率減額曲線

4.2 仿真結(jié)果分析

圖6為2組風(fēng)扇的仿真結(jié)果。芯片、電源產(chǎn)生的熱量按照所設(shè)計(jì)的熱傳導(dǎo)路徑經(jīng)過(guò)腔體傳導(dǎo)至散熱器，最終通過(guò)4組風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷散至周圍環(huán)境中。理論上，對(duì)于給定的散熱結(jié)構(gòu)，強(qiáng)迫對(duì)流的風(fēng)量越大，散熱效果越好。仿真結(jié)果顯示，采用4個(gè)ADDA7015風(fēng)扇散熱，芯片最高溫度為88.4 ℃，最大風(fēng)速為6.93 m/s；采用4個(gè)ADDA8015風(fēng)扇散熱，芯片最高溫度為87.9 ℃，最大風(fēng)速為7.27 m/s。采用ADDA8015風(fēng)扇散熱，芯片溫度雖有所降低，但僅降低0.5 ℃，且芯片最高溫度均大于80 ℃，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 仿真結(jié)果

4.3 散熱器優(yōu)化

前面仿真可知通過(guò)提高風(fēng)扇的風(fēng)量改善散熱的效果有限，需要增加散熱面積。如圖7所示，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式下，增加散熱器高度H1，減小散熱器基板厚度H2，增加肋片厚度S1，減小散熱器肋片間距S2，改用亞泰SRX-YCT散熱器替換之前的SRX-YFE散熱器。兩組散熱器尺寸對(duì)比如表1所示。相比SRX-YFE，SRX-YCT的單位長(zhǎng)度L的有效散熱面積A增加了41%。更換散熱器后仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 散熱器結(jié)構(gòu)尺寸

散熱器型號(hào)H1/mmH2/mmS1/mmS2/mmA/cm2SRX-YFE214.82.44.811.47SRX-YCT254.02.54.516.17

圖8 更換散熱器后仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，增加散熱器散熱面積后，采用4個(gè)ADDA7015風(fēng)扇散熱，芯片最高溫度為76.8 ℃，最大風(fēng)速為7.98 m/s；采用4個(gè)ADDA8015風(fēng)扇散熱，芯片最高溫度為75.7 ℃，最大風(fēng)速為8.34 m/s。改善散熱器結(jié)構(gòu)后，并沒(méi)有增加風(fēng)扇風(fēng)阻，反而改善了風(fēng)扇風(fēng)道，提高了風(fēng)速，且芯片最高溫度下降至80 ℃以下，達(dá)到了系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)，并有一定設(shè)計(jì)余量。雖然增加風(fēng)扇風(fēng)量改善散熱效果同樣有效，但受限于整機(jī)尺寸要求，散熱器尺寸已趨極限。改選散熱器后系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方案可行，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

多路大功率放大器熱設(shè)計(jì)首先要明確功放芯片的熱設(shè)計(jì)要求，在有限的結(jié)構(gòu)尺寸下，盡量避免熱源集中分布；其次要在熱源至外部環(huán)境之間提供一條低熱阻通道，確保熱量能夠快速傳出；最后在散熱通道確定后，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)扇風(fēng)量、散熱器尺寸等強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱參數(shù)，確保熱量能夠有效散至周圍環(huán)境中。本文針對(duì)某Ku波段多路大功率放大器進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)研究，最終在35 ℃環(huán)境溫度條件下，仿真得出芯片的最高溫度降至80 ℃以下，滿足了熱設(shè)計(jì)要求。對(duì)于更大功率放大器的熱設(shè)計(jì)，可在本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上在放大器與散熱器之間預(yù)埋高導(dǎo)熱系數(shù)的熱管以降低傳導(dǎo)熱阻，也可進(jìn)一步優(yōu)化散熱器尺寸以提高散熱效果。

[1] 高永輝, 劉英坤, 李俊敏. P波段長(zhǎng)脈寬小型化大功率模塊研制[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2013, 38(2): 126-129.

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王加路(1988-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)榇蠊β孰娮釉O(shè)備熱分析與熱設(shè)計(jì)。

Thermal Design of Ku-band Multiplex High Power Microwave Amplifier

WANG Jia-lu，WU Qiang，ZHAO Shu-wei

(The41stResearchInstituteofCETC,Qingdao266555,China)

Microwave amplifier is one of the key components of signal generator system used in radar, communication, navigation and so on. With greater requirements for high power, miniaturization, integration and reliability, the thermal performance of high power amplifier gradually becomes a main factor limiting its further developments. Based on CFD software Flotherm, thermal design of a Ku-band multiplex high power microwave amplifier are carried out in this paper. Basic theories of heat transfer are discussed. Cooling system design of the amplifier and thermal structure design of its cavity are carried out. The structure and size of the heat sink is optimized at last. Eventually, steady thermal analysis of the amplifier is carried out at the ambient temperature of 35 ℃, the temperature of amplifier chips and the air flow speed of cooling fans are obtained, it reveals that the thermal design of this amplifier satisfies its thermal requirements.

multiplex high power microwave amplifier; Flotherm; thermal design

2015-08-10

TK124

A

1008-5300(2015)05-0023-04