王 鎮(zhèn)　王貴剛　辛瑞紅　楊名軍（北京航天光華電子技術有限公司，北京 100854）

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某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)熱場設計與仿真分析

王 鎮(zhèn)王貴剛辛瑞紅楊名軍
（北京航天光華電子技術有限公司，北京 100854）

摘 要通過對某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)的熱設計與仿真分析，對系統(tǒng)傳熱類型、風道結(jié)構設計、通風面積，以及Zoom-in技術應用等方面進行了分析，對其結(jié)構參數(shù)尺寸進行了優(yōu)化設計。通過該設計過程，在滿足產(chǎn)品力學要求的同時，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計與熱設計的有效結(jié)合，從而達到了設計的高效、低成本、自動化要求。

關鍵詞平臺電路箱，測試系統(tǒng)，熱設計，仿真分析

引 言

隨著世界電子技術的不斷發(fā)展，電子設備的功能日益增強，復雜性日益提高，同時，其集成度也越來越高，加之電子設備單位體積的功耗不斷增加，引起設備溫度迅速上升。由種類繁多的電子設備所組成的系統(tǒng)級裝備，也因此面臨著如何解決散熱困難的問題。目前，在傳熱與流場分析方面，已有很多成熟的仿真軟件，由于研究對象的復雜程度不同，應用這類軟件分析解決元件級、板級、設備級的熱設計問題比較普遍，而解決系統(tǒng)級熱控問題比較困難。因此，對電子設備的熱設計問題進行較深入研究，并找出系統(tǒng)級設備熱設計問題的關鍵點和技術方法，對總體設計意義重大。某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)是典型的系統(tǒng)級電子設備的載體，采用專業(yè)電子設備熱分析軟件ICEPAK對機柜進行建模、分析，可以驗證熱設計方案的正確性和可行性，在節(jié)約成本的同時，大幅提高效率。

1　總體設計方案

1.1系統(tǒng)組成及方案

某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)主要由一次電源模塊、二次電源模塊、信號發(fā)生器、脈沖計數(shù)器、多功能校準儀、數(shù)字萬用表、繼電器切換電路，以及工控機、顯示器等組成。其中，繼電器切換電路和二次電源模塊均安裝在轉(zhuǎn)接箱內(nèi)，通過接插件與外部設備實現(xiàn)互聯(lián)互通。該系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示。

1.2結(jié)構設計與安裝

基于設計方案選用的資源，該系統(tǒng)裝配效果如圖2所示。其中，左側(cè)是正視圖，右側(cè)是后視圖。在圖2左側(cè)，安裝順序自上至下依次為顯示器、鍵盤鼠標抽屜、轉(zhuǎn)接箱、程控電源、數(shù)字萬用表（8508A）、多功能校準儀（5522A）、信號發(fā)生器（33220A）、通用脈沖計數(shù)器（53230A）和工控機。

1　圖總體設計方案

該系統(tǒng)的整體機柜采用型材方案，結(jié)構簡單，整體性強，結(jié)構剛性好，抗變形能力強，重量輕，主要承力部件的抗銹蝕能力強，且成本低。結(jié)構整體采用模塊化設計，盡量按每一獨立功能模塊設計操作面板及操作模塊，做到獨立模塊可拆卸。轉(zhuǎn)接箱內(nèi)安裝繼電器切換電路板、二次電源模塊電路板及其與外部的測試和控制接口。電路板全部安裝在subrack公司生產(chǎn)的插箱上，如圖3所示。

2　熱源分析及熱問題

2.1機柜傳熱類型

（1）自然冷卻。自然冷卻無需外部動力作用，是通過傳導、對流及輻射把熱量傳導到機柜的金屬外殼并散發(fā)到空間的散熱方式，也可利用自然流動的空氣吸走元器件上的熱量，經(jīng)過機柜上方的通氣孔、百葉窗排出機柜。自然冷卻是最經(jīng)濟、簡便的冷卻方法，一般用于發(fā)熱量小、熱流密度低的機柜。

（2）強迫風冷。強迫風冷是最常用的一種高效冷卻方法，是利用風機驅(qū)動冷空氣經(jīng)過電子設備實現(xiàn)強迫冷卻的散熱方式。強迫風冷分為抽風和鼓風兩種方式，抽風即通過風機把機柜內(nèi)部的熱空氣抽出，冷空氣從機柜底部補充進來，這種方式操作簡單，但要注意機柜內(nèi)部的元器件排列要有間隙，使冷風能夠充分均勻地通過每個元器件，獲得較好的冷卻效果；鼓風通過風機或風管向機柜內(nèi)部或發(fā)熱量大的元器件直接傳送冷風，使溫度高的空氣得以排出。為使得機柜內(nèi)需要冷卻的元器件都能得到冷風，需要對機柜內(nèi)的風路進行設計，以合理分配風量，常見的方式有縱向通風和橫向靜壓式通風兩種。強迫風冷散熱工作可靠、易于維修保養(yǎng)、成本相對較低，所以，在需要散熱的電子設備冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用，同時也是高功率器件采用的主要冷卻形式。

（3）氣-水混合冷卻。氣-水混合冷卻的前提是將機柜設計成密閉式的，在機柜的兩側(cè)安裝風道，同時在機柜的某一部位安裝氣-水熱交換器。熱空氣從兩側(cè)風道抽回后流經(jīng)氣-水熱交換器時，熱量由熱交換器中的冷卻水帶到機柜外。冷卻后的空氣又吹向各個元器件，把元器件的熱量帶走，如此循環(huán)。這種冷卻方式的好處是避免了外界空氣中的灰塵、霉菌等對電子設備元器件的污染，但成本較高，通常應用在特殊工作環(huán)境中。

2.2系統(tǒng)風道結(jié)構

根據(jù)傳熱類型，初步選擇整機系統(tǒng)采用自然冷卻方式。在機柜系統(tǒng)設計中，首先需要合理設計風道結(jié)構，良好的風道結(jié)構可使外界冷空氣有效地進入內(nèi)環(huán)境，并流經(jīng)熱功率元件，降低熱環(huán)境溫度。系統(tǒng)風道設計通常應符合以下基本原則：（1）進、出風口盡量遠離，以強化煙囪效果；（2）出風口盡可能設計在系統(tǒng)的頂部；（3） 機柜面板若沒有特別要求，一般不要開通風孔，以利于形成有效煙囪；（4）系統(tǒng)后部應預留一定空間以利于氣流順暢流出；（5）為了避免熱空氣流入系統(tǒng)而影響其可靠性，可把氣流風道隔離，形成完整、獨立的風道。

根據(jù)以上設計原則，結(jié)合某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)結(jié)構特點，設計橫向和縱向兩種風道方案形式。其中，橫向風道設計方案如圖4所示，其采用獨立散熱風道，機柜出風口位于頂部。各模塊單元為前后通風冷卻。機柜后面的風道留有足夠通風距離（200mm），各模塊上下安裝遵循“耐高溫在上，熱敏感在下”的原則，除進、出風口外，其它部位做好密封，提高整體結(jié)構的散熱效率。縱向風道設計方案如圖5所示，其同樣采用獨立散熱風道，機柜出風口位于頂部，所不同的是各模塊單元為上下風道。該方案的優(yōu)點是風向流阻小，風道效率高，但底部熱空氣將依次流經(jīng)各模塊并通過頂部排除，此時，熱功率較大的模塊單元必須放置在頂部，避免過熱空氣流經(jīng)整個系統(tǒng)。

圖4　橫向風道設計方案示意圖

圖5　縱向風道設計方案示意圖

對比分析兩個風道方案可見，縱向風道方案雖然流阻小，但底部模塊單元對上部安裝單元影響較大，不利于系統(tǒng)整體結(jié)構散熱，而橫向風道方案可有效阻隔各單元間的影響，對整體系統(tǒng)散熱較為有利，因此采用橫向風道結(jié)構。

2.3通風計算及熱源分析

根據(jù)橫向風道設計方案，需在機柜開設相應的散熱孔，保證外界空氣正常流入機柜系統(tǒng)內(nèi)。系統(tǒng)通風進風口的面積大小可按下列公式計算：

S=Q/(7.4×10-5H×Δt1.5)

其中，S為通風口面積，單位為cm2；Q為機柜內(nèi)總的散熱量，單位為W；H為機柜的高度，單位為cm；Δt=t2-t1，為內(nèi)部空氣溫度t2與外部空氣溫度 t1之差，單位為℃。

根據(jù)上述公式，計算出進風口面積S進=225cm2，同時，根據(jù)《電子設備可靠性熱設計手冊》（GJBZ 27-1992）出風口的面積大小應為進風口面積大小的1.5倍~2倍，最終得到出風口面積S出=405cm2。

2.4系統(tǒng)Zoom-in應用仿真

通過上述熱設計過程，確定結(jié)構熱設計參數(shù)后，需要借助熱仿真軟件開展熱仿真分析。作為結(jié)構尺寸較大的整機系統(tǒng)熱仿真，如果直接進行建模，網(wǎng)格劃分需要較大間隙，可能會導致小尺寸組部件單元熱仿真準確性嚴重下降，甚至可能被忽略。而如果減小網(wǎng)格間隙，則整體網(wǎng)格劃分參數(shù)復雜，仿真運算時間長。

針對上述系統(tǒng)仿真問題，利用Zoom-in技術在解決復雜系統(tǒng)研究中具有重要的意義。Zoom-in技術可以將系統(tǒng)研究細分到組部件熱場分析中，甚至可以細分到板級產(chǎn)品的分析中。通過逐級導入分析結(jié)果，最終獲得一個更為準確的系統(tǒng)熱仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6　利用Zoom-in技術進行系統(tǒng)熱仿真設計示意圖

因此，通過分析機柜整體結(jié)構及熱源情況可以看出，機柜系統(tǒng)中轉(zhuǎn)接箱功耗相對較大，同時，轉(zhuǎn)接箱熱源為未知參量，因此，將轉(zhuǎn)接箱作為研究目標，并通過Zoom-in求解轉(zhuǎn)接箱整體熱仿真情況，建立轉(zhuǎn)接箱及電源板Icepak熱仿真模型如圖7所示。

圖7　轉(zhuǎn)接箱及電源板Icepak熱仿真模型

劃分網(wǎng)格并利用Zoom-in技術可得出如圖8所示的仿真結(jié)果，通過仿真云圖可以得出轉(zhuǎn)接箱電源板穩(wěn)態(tài)溫度維持在42℃左右，能夠滿足板卡及系統(tǒng)內(nèi)熱環(huán)境要求。

3　結(jié)束語

本文針對某型號平臺電路箱測試系統(tǒng)開展了熱設計及仿真分析，通過明確傳熱類型、設計風道及通風優(yōu)化，針對轉(zhuǎn)接箱結(jié)構開展了熱仿真分析。通過上述熱設計分析過程，在狀態(tài)變量的約束條件下，使得系統(tǒng)的熱環(huán)境溫度不斷降低，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，并最終形成了整體結(jié)構方案，如圖9所示。

通過上述系統(tǒng)熱設計仿真過程，設計人員可總結(jié)出一套切實可行的熱設計流程方案，可有效提高產(chǎn)品設計的效率，增強設備系統(tǒng)可靠性，節(jié)約生產(chǎn)設計成本，對生產(chǎn)工作有著重要參考價值和借鑒意義。

圖8　電源板溫度場仿真云圖

圖9　平臺電路箱測試系統(tǒng)

參考文獻

1 孫靖民, 梁迎春. 機械優(yōu)化設計(第4版) [M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006: 124~125

2 邱成悌, 趙惇殳, 蔣全興. 電子設備結(jié)構設計原理[M]. 南京: 東南大學出版社, 2005

3 萬偉學. Icepak在電子設備熱分析中的應用[J]. 動力與電氣工程, 2012, (23): 122

4 白秀茹. 典型的密封式電子設備結(jié)構熱設計研究[J]. 電子機械工程, 2002, 18(4): 36~38

5 趙經(jīng)文, 王宏釬. 結(jié)構有限元分析（第二版）[M]. 北京:科學出版社, 2001

文章編號：1009-8119（2016）03（1）-0058-03