于 斌

(中電科儀器儀表有限公司，山東 青島 266555)

0 引 言

某戶外使用的電子設備，對環(huán)境適應性要求較高，工作溫度最高要求55 ℃，并且還有防雨要求，整機功耗100 W。整機內(nèi)含有單片功耗40 W的集成電路器件，在整機尺寸和重量有嚴格限制的情況下，給整機的熱設計帶來了極大的挑戰(zhàn)。筆者通過對此典型戶外電子設備的熱設計和仿真試驗過程介紹，為該類電子設備的熱設計提供有利的參考[1]。

1 整機初步設計方案

此設備內(nèi)部主要包含電源、天線、接收模塊、信號處理模塊以及借口等。設備外形如圖1所示。

圖1 設備外形

整機內(nèi)部各主要器件和模塊的功率如表1所列。芯片1為整機中的核心器件，功耗大，功耗占整機的40%左右，并且尺寸較小，功率密度大，是此機熱設計的重點和難點。

表1 主要器件及功率

2 熱仿真模型建立

2.1 模型處理和簡化

為便于進行仿真模型的建立，提高仿真的精度和節(jié)省計算時間，對設備的整體形狀以及細節(jié)部分進行適當簡化，去掉圓角、倒角、拔模斜度等特征。各接口和調(diào)試口進行簡化后，對應位置的空洞以實體進行填充。簡化后的模型如圖2所示。

圖2 簡化后模型

2.2 建立仿真模型

該設備后殼部分為金屬材質(zhì)，選用鋁合金材料，重量輕導熱性能好。前殼部分為保障天線接收性能，為非金屬材料，導熱系數(shù)極低，約為0.4W/(m·k)

芯片1～5布置在印制板上，如圖3所示。

圖3 芯片布局

芯片1為該設備的關鍵器件，其功耗較大，需要重點考慮散熱設計措施。為實現(xiàn)設計目標，本方案采用大面積銅板與器件連接，通過傳導將熱量快速傳出，然后將銅板與外殼進行緊密貼合連接。芯片1的熱傳導路徑為：芯片外殼→銅板→導熱墊→后殼→空氣。

由于該設備屬于戶外工作，需要防雨設計，因此整機首選自然散熱方式。整機通過天線罩和后殼以及密封墊形成封閉體。后殼上加大面積散熱肋，增加表面積，提高散熱效果。電源模塊、接收模塊1和接收模塊2直接與后殼連接，其間加裝導熱墊。

3 熱仿真分析及結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果云圖

整機內(nèi)各模塊以及芯片的溫度云圖，分別如圖4和圖5所示。

3.2 結(jié)果分析和設計優(yōu)化[2-3]

通過仿真得到各模塊及關鍵芯片的溫度值，見表2所列。由各器件以及印制板溫度云圖分布可知，大功率芯片1的殼溫為89.7 ℃，該器件的結(jié)殼熱阻為Rjc=0.16 ℃/W。

Tj=Tc+Rjc×P=89.7+0.16×40=96.1(℃)

式中：Tj為芯片結(jié)溫(℃)；Tc為芯片殼溫(℃)；Rjc為芯片的結(jié)殼熱阻(℃/W)；P為芯片功耗(W)。

圖4 整機溫度云圖 圖5 印制板芯片溫度分布

可知芯片的結(jié)溫約為96.1 ℃，低于芯片規(guī)定的110 ℃的最高工作結(jié)溫要求。

表2 主要器件仿真溫度值表

整機采用自然散熱，內(nèi)部封閉，空氣的處于內(nèi)部循環(huán)狀態(tài)。達到熱平衡狀態(tài)時，設備內(nèi)部各處的空氣溫度基本一致，頂部比底部稍高1 ℃左右，符合實際情況。

芯片1上使用的銅板散熱器尺寸對芯片的散熱有較大影響，設置多種尺寸的銅板散熱器進行仿真，對其進行優(yōu)化，找到最優(yōu)的結(jié)果。由于整機厚度有嚴格限制，銅板散熱器的厚度只能限制為3 mm，因此優(yōu)化仿真只針對其長寬進行。芯片為正方型尺寸，銅板散熱器亦設計為正方形。優(yōu)化設計結(jié)果如表3所列。

表3 芯片1銅板散熱器尺寸優(yōu)化

銅板散熱器尺寸在50×50×3(mm)時，芯片1的仿真溫度最低，以此為準進行散熱器設計。

4 測試試驗[4-5]

為驗證仿真結(jié)果的精確程度，在設備的熱測試過程中，記錄部分器件的溫度值，進行對比分析，見表4所列。

表4 仿真與實測溫度對比表

由表3可知，實測值與仿真值的差值最大為2.4 ℃。這是由于仿真模型簡化過程和參數(shù)設置，以及實際受測量中誤差因素的影響。但誤差值均在3 ℃以內(nèi)，并且實測值與仿真值均滿足元器件的使用要求。

通過表2和表3的對比分析，結(jié)果表明在設備研制階段利用仿真對其進行熱分析，可較為準確地估算大功耗器件的工作溫度。對于關鍵芯片進行散熱器的優(yōu)化設計，能夠輔助設計師找到最優(yōu)的散熱器形狀和尺寸。同時對設備結(jié)構(gòu)設計和PCB板元器件布置的合理性進行評判，并提出修改措施。

5 結(jié) 論

重點對某戶外電子產(chǎn)品進行熱設計分析及試驗，通過熱仿真分析得出設備內(nèi)部主要發(fā)熱器件的溫度分布，對于整機的熱設計及試驗有重要的指導意義。通過仿真分析，優(yōu)化了電路板布局和整機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及機殼散熱翅片設計。

(1) 該戶外電子設備熱設計，滿足環(huán)境的使用條件，證明了方案的可行性。

(2) 通過實際驗證測試得到的數(shù)據(jù)對比和優(yōu)化分析，證明本文采用的自然散熱方案能夠滿足本設備最高55 ℃的工作要求。

(3) 在產(chǎn)品的實際戶外應用過程中，由于自然風的存在，等同于在設備外部采取了一定的強迫風冷措施，且風速越高對設備的散熱越有利。