陳烈強

（上海中興軟件有限責任公司，上海 201203）

1 研究背景

隨著科技的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能時代的到來，人們對網(wǎng)絡(luò)容量以及速度的要求越來越高。為了能夠在下一代科技競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位，我國率先在全球范圍了啟動5G 的商用布局，2019年6月6日，工信部發(fā)布4張5G 牌照，標志著5G 商用開始，我國率先進入5G 時代，2020年預計我國三大運營商的5G 投入達到1，800億元，代表著5G 步入高速發(fā)展階段。

AAU 作為5G 重要組成部分，采用Massive MIMO 技術(shù)，天線的個數(shù)由4G 48陣子增長到192陣子，通道數(shù)由4或者8通道增長至32或者64通道，中射頻芯片以及基帶芯片的集成度以及處理復雜度成倍的提升，其功耗是4G RRU 的2-4倍。為了外場能夠迅速的進行站點部署，對于AAU 的體積重量以及迎風面均有較高的要求，因此對于基站的散熱有更大的挑戰(zhàn)。

本文針對5G Sub_6G 64TR AAU 基站中存在的芯片單點功耗較高以及整機散熱方案的選擇進行研究論述，提出解決單點散熱以及整機散熱方案滿足AAU 小型化以及輕量化外場部署需求。

2 5G 基站散熱技術(shù)研究

2.1 單點散熱技術(shù)的研究

5G Sub_6G AAU 中射頻單個芯片需要處理16TR/32TR 的100 M/200 M NR 信號，單芯片的負荷比較高，功耗比較大，部分芯片熱耗高達30 W 以上。再者為了降低前傳帶寬的要求，5G AAU采用eCPRI 前傳接口，部分物理層的功能需要在AAU 上進行處理，需要增加基帶芯片，增加了整機的功耗，基帶芯片需要處理64TR 100 M/200 M 信號，其功耗高達幾十瓦。在AAU 整機散熱設(shè)計中，高功耗的中射頻芯片以及基帶芯片已經(jīng)成為散熱瓶頸，為了解決芯片的單點散熱，把散熱齒全部加高，會帶來整機體積和重量的大幅增加，得不償失，因此單點散熱技術(shù)研究對于AAU 至關(guān)重要，本章節(jié)介紹熱管以及VC 均熱兩種技術(shù)在AAU中解決單點散熱的研究與應(yīng)用。

2.1.1 熱管技術(shù)

熱管的工作原理：熱管由蒸發(fā)端、冷凝端、管路3個功能部分組成。如圖1所示，當蒸發(fā)端開始受熱的時候，管壁附近的液體就會瞬間汽化，產(chǎn)生蒸氣，此時這部分的壓力就會變大，蒸氣在壓差下會向冷凝端流動。蒸氣流到達冷凝端后會冷凝為液體，同時釋放出大量的潛熱，最后在毛細力的作用下回到蒸發(fā)受熱端完成一次循環(huán)。

圖1 熱管工作示意圖

區(qū)別于一般的固體傳熱，熱管除了傳熱外，更重要的在于傳質(zhì)，因此其等效熱導率可以達到純銅的數(shù)十倍。應(yīng)用于通信設(shè)備的散熱方案中，可以有效解決局部熱點問題，大大提升整體的均溫性，從而提高產(chǎn)品的散熱能力。

2.1.2 VC 均熱技術(shù)

VC（均溫板，Vapor Chamber）的工作原理與熱管類似，如圖2所示，它是將熱管的一維導熱擴展至二維導熱。VC 底部的液體在吸收熱源的熱量后，蒸發(fā)擴散至真空腔內(nèi)，將熱量傳導至散熱齒片上，隨后冷凝為液體，來毛細力的作用下回到底部。同樣的，VC 可以將通信產(chǎn)品中的局部熱點的熱量，迅速的向平面方向展開擴展，如此可以高效的降低熱點溫升，提升整機的均溫性，解決散熱短板，從而可以大幅提升產(chǎn)品的散熱能力。

圖2 VC板工作示意圖

2.1.3 仿真分析

針對這兩種技術(shù)，采用Flotherm XT 軟件進行仿真對比。

仿真前提條件下：

①AAU 整機熱耗1000 W，整機寬度495 mm，高度800 mm，散熱齒形態(tài)為直齒。

②單芯片器件尺寸為30*30 mm，熱耗35 W。

③VC 均熱版尺寸為60*60 mm。

④熱管長度180 mm-220 mm 不等，直徑為6 mm。

仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

整機在相同的齒高，芯片采用不同的散熱措施條件下，芯片溫度匯總?cè)绫?所示，從表1可以看出，采用VC 板或者熱管散熱，芯片溫度能夠降低2-3℃，受益于芯片溫度的降低，整機散熱齒高度也可以降低從而整機重量降低、體積可以變小，因此，VC 均熱以及熱管散熱對于解決單點芯片功耗高的散熱有明顯的效果。

圖3 芯片無熱管無VC仿真結(jié)果

圖4 芯片采用VC板散熱仿真結(jié)果

圖5 芯片采用熱管散熱仿真結(jié)果

2.2 5G AAU 整體散熱技術(shù)

5G Sub_6G AAU 按照有源通道類型來劃分，有64TR/32TR，有源通道是RRU 的4-8 倍，以64TR 為例，如下所示為各廠家AAU 的參數(shù)，可以從表中看出，整機功耗在1200 W 以上，AAU的尺寸寬度在500 mm 左右，高度均在900 mm 左右，重量小于47 kg（中移動要求），整機的尺寸和重量代表了各個設(shè)備廠家的競爭力，在同等功耗的條件下，如何把整機的體積重量做到最優(yōu)是每個設(shè)備廠家研究的重點方向，也是外場輕量化部署以及國際化推廣的強烈需求，這對于整機散熱方案提出了重大的挑戰(zhàn)，整機散熱需要不斷提升散熱密度以滿足小型化輕量化需求。

表2 5G各廠家64TR AAU基本參數(shù)及要求

2.2.1 傳統(tǒng)的直齒散熱

傳統(tǒng)的直齒方案是業(yè)界應(yīng)用最廣的散熱方案，有流阻較小、技術(shù)成熟、工藝簡單、可靠性高、適用性廣等優(yōu)點。但是其缺點也比較明顯：由于熱空氣密度低，會自下而上的流動，當產(chǎn)品的高瘦比大于2至3時，整機頂部的散熱會受到不斷被加熱的熱空氣的影響，即熱級聯(lián)影響。這會使得整機頂部的器件更容易成為散熱瓶頸，制約整機的散熱能力。

2.2.2 V 齒散熱

V 齒方案，是散熱齒以V 字型排列。根據(jù)其應(yīng)用產(chǎn)品和場景的不同，其最佳傾角也會變化。V 齒方案提出的初衷就是為了解決直齒的熱級聯(lián)影響：齒間的熱空氣會沿V 字的兩側(cè)斜齒向整機的兩側(cè)導出，此時齒間會形成負壓，冷空氣會由齒的正前方流入散熱齒的有效換熱區(qū)域，從而大大削弱熱級聯(lián)影響，強化散熱。這種散熱方案在整機高瘦比比較大，或者整機較高的情況下有明顯的強化散熱效果。

2.2.3 仿真分析

仿真前提條件下：

①AAU 整機熱耗1000 W，整機寬度495 mm，高度800 mm，散熱齒形態(tài)為直齒或者V 齒。

②單芯片器件尺寸為30*30 mm，熱耗35 W，整機仿真中放置了4個。

③其他熱源為均布熱源，兩個300 W，兩個130 W。

在保證單板溫度、芯片溫度基本相同條件下，仿真對比兩種齒的齒高。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示：

圖6 采用54 mmV齒齒高的溫度云圖以及芯片的溫度

圖7 采用80 mm直齒齒高的整機的溫度云圖以及芯片溫度

表3 不同齒形齒高條件下芯片的溫度

通過仿真分析，在芯片的最高溫度為103℃以及單板溫度96℃左右情況下，直齒由于熱級聯(lián)原因需要更高的齒高才能夠解決散熱，而采用V 齒散熱可以很好的解決級聯(lián)問題，齒高降低了26 mm，整機的體積減少9.5 L（495 mm*800 mm*26 mm/106），整機的重量能夠降低，因此針對整機較高的AAU 這種形態(tài)，采用V 型齒對于整機輕量化以及小型化有很大的收益。

3 結(jié)束語

本文研究了采用熱管以及VC 管解決芯片功耗過高單點散熱的問題，通過仿真，有較大的收益。并且針對目前AAU 的形態(tài)，通過V 齒與直齒的仿真對比，V 齒對于整機較高的AAU 形態(tài)能夠很好的解決級聯(lián)散熱，整機可以做的更輕更小，能夠更好地滿足外場輕量化的部署要求，但是隨著芯片工藝的提升功耗的下降，PA 效率的提升，單板有源面積變小，整機功耗降低，采用何種最優(yōu)的散熱技術(shù)需要持續(xù)進行研究。