王金

摘 要：文章對(duì)L波段固態(tài)功率放大器整機(jī)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并結(jié)合L波段固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)實(shí)例，最后給出了整機(jī)的仿真及實(shí)物測(cè)試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：熱設(shè)計(jì)；固態(tài)功率放大器；熱仿真；FLOTHERM

引言

固態(tài)功率放大器主要由功率放大模塊、增益放大模塊、合成模塊、耦合模塊和控制電路等組成，功率放大模塊在大功率條件下工作時(shí)，器件發(fā)熱量大，使器件處于高溫狀態(tài)下工作。而高溫會(huì)使元器件電性能惡化，引起失效，導(dǎo)致設(shè)備可靠性下降。資料表明：單個(gè)半導(dǎo)體元件的溫度升高10 ℃～12 ℃，其可靠性降低50%[1]。隨著器件的密集化，電子設(shè)備的功率密度增大，對(duì)熱設(shè)計(jì)的需求也日益強(qiáng)烈。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：頻率范圍1GHz～2.5GHz，功率增益≥50dB，最大輸入功率≤10dBm，最大輸出功率≥50dBm，環(huán)境適應(yīng)性滿足GJB3947A-2009環(huán)境4級(jí)設(shè)備要求，另外還有輸入端口駐波比、輸出功率平坦度、1dB壓縮點(diǎn)輸出功率、3dB壓縮點(diǎn)輸出功率、噪聲系數(shù)、諧波抑制等指標(biāo)要求。

功率放大模塊采用某型號(hào)功率芯片，單個(gè)芯片無論在輸出功率或功率增益方面都無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 因此， 本方案選用兩極放大串聯(lián)的方式滿足功率增益的要求， 其中前級(jí)作為推動(dòng)級(jí)， 末級(jí)作為功率輸出級(jí)，末級(jí)使用4路放大并聯(lián)的方式滿足輸出功率的要求，前后兩個(gè)放大級(jí)中的各單管放大電路設(shè)計(jì)成完全相同的形式。信號(hào)流圖如圖1所示。

功率放大模塊中的功率芯片滿載時(shí)功耗較高達(dá)到115瓦。五個(gè)功率放大模塊共有10個(gè)芯片，芯片總功耗高達(dá)1150瓦，并且該芯片面積小，熱流密度高，散熱難度很大。綜合整機(jī)內(nèi)部信號(hào)流、模塊的功能、可裝配性和可維修性等，為了更好的散熱，整機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

散熱器由上下基板和中間散熱片組成，在機(jī)箱高度方向放置于機(jī)箱中部，上下基板可以貼附散熱器件，可以最大限度的增加機(jī)箱散熱性能。電源自帶散熱風(fēng)機(jī)，因此將電源單獨(dú)放置于機(jī)箱左側(cè)的電源倉，不僅有利于散熱，更有利于屏蔽強(qiáng)電信號(hào)。

2 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 風(fēng)機(jī)選擇

機(jī)箱內(nèi)部主要發(fā)熱部件有5個(gè)功率放大模塊（1150w）、電源（50w）和印制板50w，總功耗為1250瓦。根據(jù)GJB3947A-2009環(huán)境4級(jí)設(shè)備要求，環(huán)境溫度按40℃設(shè)置，排除熱阻影響，空氣溫升設(shè)置為？駐t=10℃。

根據(jù)熱平衡方程：Q=Cp？籽Qf？駐t（W），可計(jì)算出：

Qf=Q/Cp？籽？駐t=1250/[1005×1.06×10]=0.117（m3/s）=250.7（CFM）（1）

式中，Cp為空氣的比熱；ρ為空氣的密度；Q為整個(gè)通道的散熱量；Qf為通風(fēng)量；Δt為風(fēng)道進(jìn)出口溫差。

本設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為AS12012LB389B00的風(fēng)機(jī)，其單個(gè)最大通風(fēng)量為162.05CFM?？紤]到理論計(jì)算與實(shí)際的誤差，設(shè)計(jì)總通風(fēng)量應(yīng)大于理論通風(fēng)量，選6組風(fēng)機(jī)3組向機(jī)箱內(nèi)部吹風(fēng)，三組抽風(fēng)。通風(fēng)量共計(jì)486.15CFM，可滿足散熱要求。

2.2 熱仿真優(yōu)化

根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)建立FLOTHERM熱仿真模型，受機(jī)箱尺寸和內(nèi)部器件的限制，散熱器外形尺寸是固定不變的，考慮到重量、機(jī)箱強(qiáng)度和安裝需要，基板厚度設(shè)置為7mm，材料為鋁板（6061-T651），設(shè)置散熱器翅片數(shù)量和翅片厚度為輸入優(yōu)化變量，翅片數(shù)量范圍為70-150片，翅片厚度為0.2-2.5mm，輸出變量設(shè)置為功率芯片的節(jié)溫和散熱器的重量。方案設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果如表1所示，方案設(shè)計(jì)的響應(yīng)面結(jié)果如圖3所示。

通過RSO優(yōu)化功能得出的最優(yōu)方案是翅片數(shù)量79片，翅片厚度為2.5mm，然而該方案重量高達(dá)19kg，重量超出設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化結(jié)果的芯片節(jié)溫為93.8℃，環(huán)境溫度設(shè)置為45℃，因此芯片節(jié)溫溫升為48.8℃。為了保證功率芯片的正常工作，以及機(jī)箱內(nèi)部不會(huì)有過熱的危險(xiǎn)，芯片節(jié)溫溫升應(yīng)該控制在45℃以下。因此該優(yōu)化結(jié)果難以滿足設(shè)計(jì)要求。

這說明普通風(fēng)冷散熱器難以滿足設(shè)計(jì)要求。分析主要原因?yàn)樾酒娣e小，熱密度大，無法將芯片的熱流及時(shí)傳導(dǎo)并散出。因此考慮在散熱器基板上芯片底部嵌入熱管，將6mm熱管壓扁到4mm厚度，嵌入散熱器基板。如圖4所示。建立熱仿真模型并優(yōu)化分析。

通過熱仿真分析得出，當(dāng)散熱片數(shù)量為126，翅片厚度為0.7mm時(shí)，芯片節(jié)溫為83.1℃，可滿足散熱要求，如圖5所示。

3 實(shí)例測(cè)試結(jié)果

按優(yōu)化方案設(shè)計(jì)初樣機(jī)，初樣機(jī)工作狀態(tài)良好，并做高低溫試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的整機(jī)結(jié)構(gòu)可以滿足散熱要求。

環(huán)境溫度為40℃的高溫試驗(yàn)，整機(jī)工作30分鐘以上溫度穩(wěn)定后，通過貼溫度貼測(cè)試，芯片表面溫度低于80℃，與熱仿真結(jié)果83.1℃基本一致，說明該方案散熱性能良好，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]趙 .電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.