高利民，賈偉妙

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

某大功率功放的熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

高利民，賈偉妙

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

在某大功率固態(tài)功放機(jī)箱的設(shè)計(jì)中，功放機(jī)箱內(nèi)各模塊的合理布局及散熱方案的正確選擇能保證機(jī)箱內(nèi)功率管的工作溫度小于額定溫度。文中利用Icepak軟件對機(jī)箱設(shè)計(jì)進(jìn)行熱仿真分析，通過分析仿真結(jié)果來優(yōu)化風(fēng)道和散熱器的參數(shù)，再次對優(yōu)化后的機(jī)箱進(jìn)行熱仿真，對比優(yōu)化前后的設(shè)計(jì)參數(shù)和仿真結(jié)果得到在功放機(jī)箱減重4.92 kg 的同時(shí)，功率管的殼溫下降了2.2 ℃，證明了對風(fēng)道和散熱器參數(shù)優(yōu)化的合理性。

功放；熱設(shè)計(jì)；強(qiáng)迫風(fēng)冷

引 言

在航天測控系統(tǒng)中，功率放大器(簡稱功放)是無線通信設(shè)備前端模塊中最為重要的部件，而功率管又是功放的核心元器件，由于功率管體積小、發(fā)熱量大、熱流密度很高，因此功率管的散熱設(shè)計(jì)成為功放設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

目前電子設(shè)備的散熱方式主要包括自然對流散熱[1-2]、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱[3-6]、液冷散熱[7]、熱管散熱[8]、微通道散熱[9]、熱電制冷等。有時(shí)減小接觸熱阻也能起到事半功倍的效果[10]。自然對流散熱的散熱能力有限；液冷的散熱效果比較顯著，但散熱系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高；強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱可滿足熱流密度在0.08～0.3 W/cm2的電子設(shè)備的散熱需求[3]，且具有工作可靠、易于維修保養(yǎng)、成本相對較低的優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用[4]。熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)熱流密度和應(yīng)用環(huán)境選擇一種或幾種較成熟的散熱方式，并統(tǒng)籌考慮成本及可靠性等因素[11]。

某項(xiàng)目中室外固態(tài)功放機(jī)箱安裝在天線叉臂上，要求輕型化、小型化以方便安裝，這些要求都與功放的散熱設(shè)計(jì)相矛盾。因此，該功放機(jī)箱的設(shè)計(jì)原則是合理布局機(jī)箱使其小型化，并在滿足熱設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，對機(jī)箱減重處理。

1 某功放的熱設(shè)計(jì)

1.1 功放機(jī)箱組成

功放機(jī)箱內(nèi)主要器件為末級放大模塊 × 8、衰減模塊 × 1、激勵(lì)放大模塊 × 1、監(jiān)控模塊 × 1、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換 × 8、電源模塊 × 2、檢波模塊 × 1、溫度檢測模塊 × 1、功分器模塊 × 2等。

考慮功放機(jī)箱內(nèi)各模塊的尺寸及接線關(guān)系，同時(shí)滿足防雨防潮及維修便捷的要求，機(jī)箱的總體布局采用分層式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。機(jī)箱分為3層，上層為功放主功能區(qū)，各模塊相對尺寸較小且相互之間線纜連接關(guān)系最多；中間層為通風(fēng)散熱區(qū)，包含風(fēng)機(jī)和散熱器；下層為供電區(qū)，安裝可靠性最高尺寸最大的2個(gè)電源模塊。上下2層單獨(dú)實(shí)現(xiàn)防雨設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案簡單可靠。功放組成如圖2所示。

圖1 功放機(jī)箱結(jié)構(gòu)布局

圖2 功放組成

1.2 散熱方案

機(jī)箱內(nèi)主要熱源為末級放大模塊內(nèi)的4個(gè)功率管(降額使用，環(huán)境溫度為55 ℃，要求殼溫小于90 ℃)，熱耗分別為120 W、120 W、60 W、12 W，單個(gè)功率管的最大熱流密度為30 W/cm2，單個(gè)末級放大模塊的熱耗為312 W，整個(gè)功放的熱耗為312 W × 8=2 496 W?；谇叭说难芯縖3-6]，本文采用了強(qiáng)風(fēng)冷卻的散熱方式，具體散熱方案包含以下幾點(diǎn)：

1)功率管與末級放大模塊之間采用銦箔減小熱阻；

2)末級放大模塊底部焊接4根壓扁的熱管實(shí)現(xiàn)熱量的快速擴(kuò)散，從而減小熱阻；

3)根據(jù)熱平衡方程, 初步確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量；

4)散熱器選擇合適的尺寸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)散熱的同時(shí)兼顧輕量化的設(shè)計(jì)；

5)通過仿真，檢驗(yàn)熱設(shè)計(jì)的結(jié)果，并根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到合理的控制氣流與分配氣流，使其按照預(yù)定的路徑通行，并將氣流合理的分配給各個(gè)單元和組件，使所有元器件均在低于額定溫度的環(huán)境下工作。

1.2.1 風(fēng)機(jī)選型

機(jī)箱散熱所需的風(fēng)量應(yīng)等于各發(fā)熱器件散熱所需風(fēng)量之和，根據(jù)熱平衡方程得出整機(jī)的通風(fēng)量為：

式中：Φ為系統(tǒng)總熱耗功率,本例中為2496W；Cp為空氣的比熱容，常壓下為1005 J/(kg·℃)；ρ為空氣的密度，常壓下為1.06 kg/m3；Δt為系統(tǒng)出、進(jìn)風(fēng)口的溫度差，通常取Δt為10℃，計(jì)算得出通風(fēng)量為0.234 m3/s。由于系統(tǒng)中風(fēng)阻的存在，風(fēng)機(jī)不可能工作在最大風(fēng)量處，參考選型手冊中風(fēng)機(jī)工作曲線中的最佳工作風(fēng)量選擇7個(gè)ebm papst 4114NH3風(fēng)機(jī)。

1.2.2 散熱器設(shè)計(jì)

選用較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的直肋式散熱器，基板尺寸930 mm × 490 mm × 7 mm，散熱肋片厚度2 mm，高度40 mm,長度260 mm(末級放大模塊的長度為260 mm)，查詢相關(guān)文獻(xiàn)[12]得到：采用強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，若滿足系統(tǒng)溫升在30 ℃以下，熱流密度應(yīng)控制在0.08 W/cm2左右。機(jī)箱總熱耗2 496 W，需設(shè)計(jì)散熱器散熱面積應(yīng)大于2 496/0.08=31 200 cm2=3.12×106mm2。設(shè)肋片數(shù)量為n，則散熱表面積必須滿足930×490×2+2 × 40 × 260 ×n>3.12×106，得出n>106.2，則肋間距應(yīng)小于930/106 - 2=6.77 mm?？紤]加工的工藝性選取肋間距為6mm，同時(shí)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[4]也提到肋間距為6 mm時(shí)，散熱器效率最高。

2 熱仿真

利用電子設(shè)備熱仿真軟件Icepak，對功放機(jī)箱進(jìn)行仿真分析。仿真模型將不影響計(jì)算結(jié)果的非熱敏器件排除，只建立功率管，末級放大模塊(含熱管)，散熱器，風(fēng)機(jī)等模型，這樣可以節(jié)省計(jì)算資源，并方便對散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。建模參數(shù)選取方案設(shè)計(jì)時(shí)各模型參數(shù)，得到圖3～圖5的溫度場和流場分布云圖。

圖3 Y向截面溫度分布云圖

圖4 X向截面溫度分布云圖

圖5 Y向空氣流速云圖

可以分析得到如下結(jié)論：

1)顯示功率管最高殼溫為88.5 ℃，位置在機(jī)箱中部末級放大模塊內(nèi)；

2)末級放大模塊底部的熱管已經(jīng)起到了很好的均溫作用，散熱器基板的均溫作用不明顯，考慮將減少厚度以減輕機(jī)箱重量；

3)圖4中顯示最高溫度在熱耗最大的功率管中心，處于風(fēng)道的下游，風(fēng)道上游肋片散熱效率不高；

4)從圖5散熱器Y向截面的空氣流速云圖可以看出，各肋間的空氣流速不均勻，也會使通風(fēng)散熱的效率降低，分析其原因是風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸的存在及空氣流經(jīng)風(fēng)扇葉片后的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)造成風(fēng)扇出口附近流場不均勻，并且氣流直接吹向散熱器的肋片和底板時(shí)會遇到較大的阻力[5]，因此肋片不應(yīng)離風(fēng)扇太近。

針對以上的結(jié)論提出優(yōu)化思路：在保證機(jī)箱強(qiáng)度的前提下減少散熱器基板厚度，減少后厚度取3 mm，機(jī)箱減重約4.92 kg；散熱器的肋片向后移動30 mm(或50 mm)，機(jī)箱重量不變。優(yōu)化后分3種工況進(jìn)行熱仿真，對比上述3種工況的仿真結(jié)果列入表1。將原方案視為工況0。當(dāng)散熱器基板減薄時(shí)，功率管溫度略有上升，約1.1 ℃；然后在散熱肋片長度不變的情況下，位置向后移動30 mm，溫度下降1 ℃；位置向后移動50 mm，溫度再次下降2.3 ℃。優(yōu)化的最終結(jié)果是：機(jī)箱在重量減輕4.92kg的同時(shí)，最高溫度下降2.2 ℃。取得較為理想的效果。

表1 各種工況仿真結(jié)果對比

圖6 溫度云圖

圖7 流場云圖

3 結(jié)束語

熱設(shè)計(jì)是大功率功放設(shè)備研制過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本文在大功率功放的熱設(shè)計(jì)過程中通過理論計(jì)算選取的散熱器參數(shù)及風(fēng)扇參數(shù)，然后進(jìn)行熱仿真，通過對仿真結(jié)果的評價(jià)，提出優(yōu)化散熱參數(shù)的合理建議，通過對優(yōu)化前后仿真結(jié)果的對比可以看出，在機(jī)箱減重4.92 kg 的前提下，功率管的殼溫下降了2.2 ℃，取得了滿意的效果。在之后高溫試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用中再次驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

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高利民(1984-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等工作。

Thermal Design and Optimization of High Power Amplifier

GAO Li-min，JIA Wei-miao

(The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

In the research of a high power amplifier，the work temperature of the power transistor is less than the rated temperature is ensure by the reasonable layout of each module and the correct choice of the cooling scheme.In this paper，the thermal design of the chassis is simulated and analyzed using Icepak，and the airflow pattern and parameters of the heat sink can be optimized according to the simulation results. Another thermal simulation analysis is made to compare with the former results. The simulation shows that the weight of the power amplifier reduces by 4.92 kg，while the case temperature falls by 2.2 ℃. It is validated the rationality of the airflow pattern and parameters of the heat sink.

power amplifier; thermal design; forced air cooling

2016-03-11

TK123

A

1008-5300(2016)03-0008-03