某大功率功放单元的热设计

第２期　２００８年６月　电光系统　Ｎ０．２　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｊｕｎ．２ｏｏ８　某大功率功放单元的热设计　邵科峰　中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州４５００１５　摘要：介绍了某新型大功率功放单元的热设计方案，设计采用了冷板加风机的方式，并着重叙述了使用　某ＣＦＤ软件对此方案进行热分析的过程。　关键词：热设计；冷板；风机；热分析　中图分类号：ＴＫＩ２３　文献标识码：Ａ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｈｉｇｈ——ｐｏｗｅｒ　Ａｍｐｌｉｉｅｒ　ｆＳＨＡＯ　Ｋｅ—ｆｅｎｇ　ｅ　２７　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅ『ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ。Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００１５。　ｍａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａ　ｎｅｗ　ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ—ｐｌａｔｅ　ａｎｄ　ｆａｎ　ａｒｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｍｐｈａｓｉｓ　ｉｓ　ｐｌａｃｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｉｈ　ＣＦＤ　ｓｏｆｔｗａｒｅ。ｔ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｃｏｌｄ—ｐｌａｔｅ；Ｆａｎ；Ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　温度４０。Ｃ，６个功放器件在屏蔽盒底板上的布局　１　引言　随着电子元器件的微小型化和集成技术的不　和具体安装见图１。功放器件的管芯温度不能超　过１７５。Ｃ，功放器件的热阻为０．８。Ｃ／Ｗ。　断发展以及设备的热流密度迅速增加，若不采取　合理的热控制技术，必将严重影响电子元器件和　设备的热可靠性。防止电子元器件的热失效是热　控制的主要目的。热失效是指电子元器件直接由　于热因素而导致失去电气功能的一种失效形式。　在确定热控制方案时，电子元器件的最高允许温　图１布局和具体安装　功放器件热耗×功放器件热阻＝管芯温度和　功放器件底面的温度差　１００　Ｗ　ｘ０．８＝８０（。Ｃ１　度和最大功耗应作为主要的设计参数。本文讨论　的功放器件在其工作时，将产生比较高的热耗，使　其温度升高，如果温度过高会导致器件热失效，从　而影响到设备的可靠性，所以本功放单元的热设　管芯温度一管芯温度和功放器件底面的温度　差＝功放器件底面的温度　１７５—８０＝９５（。Ｃ、　计要在预期工作的热环境下，把功放器件的热耗　所以，功放器件底面的可允许的最高温度为　９５（。Ｃ）。　散发到外部环境中去，把功放器件的温度控制在　能正常工作的范围之内，保证其性能的稳定性。　３散热设计　２散热要求　３．１　设计思路　本功放单元要求体积４２３　ｍｍ×２１１．５　ｍｍ×　５２０　ｍｍ，功放器件和电源的总热耗是７３０　Ｗ，环境　首先，自然冷却已经不能满足设备的散热需　求，如果采用液冷方式，维护设备、更换某个单元相　作者简介：邵科峰（１９７８一），男，助理工程师，毕业院校于电子科技大学。研究方向：电子设备热设计。　维普资讯 http://www.cqvip.com

５８　电光系统　第２期　对比较麻烦，还需要增加水箱、水泵等设备，系统相　对比较复杂，要是使用热电制冷器的话，需要额外　增加的功率比较多，而强迫风冷散热具有工作可　不同的风道，　值不同，本功放的散热器的　值为：　Ｋ＝２００／（２４０　）　靠、易于维修保养、成本相对较低的优点，所以，结合　本功放的特点，综合考虑各种散热方式，我们采用　了强迫风冷的散热方式。具体散热方法如下：　（ａ）将７３０　Ｗ的热量快速传导至冷板上；　（ｂ）利用风机对冷板进行冷却。　本功放的散热器的风压Ｐ为：Ｐ＝１１５．６　×　２００／（２４０　）＝４６　Ｐａ　考虑到除了冷板以外，整个风道其余部分还　有风阻，选用的风机参数要大于计算值。　根据计算结果，经过市场调研后，我们选用最　３．２冷板和风机选用　３．２．１冷板和风机选用原则　（ａ）散热功率要大于７３０　Ｗ；　（ｂ）风机的风量风压要合适，太小不够用，太　大噪音大、功率浪费。　３．２．２冷板和风机的具体选用　（ａ）冷板　根据选用原则，经过市场调研后，我们选用最　接近使用要求的冷板如下：　结构如图２，外形尺寸：３６０　ｍｍ×９０　ｒｎｌＴｌ×３８０　图２冷板结构　性能参数：　空气流量：８　ｍ　／ｍｉｎ；空气压力：２００　Ｐａ；散热　功率：１４００　Ｗ。　（ｂ）风机　根据热平衡方程…：　ｒ一　一　一　一　Ｃ　（￡ｏ一￡　）　式中：　为冷却空气流量，ｍ　／ｓ；Ｑ为设备发热量，　ｋＷ；ｐ为空气密度，ｋ　ｍ　；Ｃｐ为空气比热，ｋＪ／（ｋｇ．　。Ｃ）；￡。为冷却空气出口温度，。Ｃ；￡　为冷却空气人　口温度，。Ｃ。　本功放风量计算如下：　￡：＝２３１．２　ｍ　／ｈ　本功放拟采用２个风机，１个风机的风量为：　２３１．２／２＝１１５．６　ｍ　／ｈ　根据风压Ｐ与风量Ｑ，的平方成正比　，即　Ｐ＝ＫＱ　接近使用要求的风机如下：　外形尺寸：１１９　ｍｍ×１１９　ｍｍ×３８　ｍｍ。　性能参数如图３中曲线４所示。　图３风机的风压一风量曲线　３．３　结构形式　根据功放单元体积要求、冷板和风机的外形尺　寸、功放器件和电源的尺寸，设计功放单元的结构　形式如图４（去除箱体外壳的内部结构图）。安装功　放器件屏蔽盒紧贴在冷板上面，电源模块紧贴在冷　板下面。我们在冷板和风机之间设置了风道。　图４功放单元的结构形式　一一一一一。＼～　、、　图５网格划分　３．４软件分析　（下转第６１页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

总第１２４期　贺鹏：基于Ｃ／Ｓ结构的无线数据采集系统　６１　表，或者修改仪表的相关属性，增强了系统的可维　表某仪表的图标时，弹出该仪表的详细信息窗口。　护性和扩展性，便于将系统移植到不同的厂矿企　在该窗口中，可设置起止时间查询历史记录，并以　业中。仪表基本信息单独存放在一个数据表中，　曲线图的方式实现。历史数据表中的每条记录对　并为该仪表生成一个唯一编号。仪表的其它属性　应曲线图中的一个点。　按类别分别存放在若干个的数据表中，并将　这些数据表以“仪表编号”字段进行关联。软件运　７结束语　行时通过关联查找读取仪表的所有信息，更换或　修改仪表后，只需要更改关联关系或者修改相应　本系统将无线数据传输、局域网等机动灵活　数据表的内容即可。　地结合起来，使管理人员可随时随地通过局域网　进行本地或远程访问。无线数据传输的应用极大　６客户机程序的实现　减少了布线成本，并且使用现有的局域网络，使得　本系统实用性强、性能价格比高、操作维护简单，　客户机程序的目的在于提供一个方便直观的　极具推广使用价值。目前，这套系统在重钢冷轧　数据监控界面以及简略实用的操作环境。服务器　薄板厂得到应用，深受有关仪表维护和能源管理　程序向系统中添加仪表时，同时录入仪表的类别　人员的好评。　和等级关系。这样在客户机程序读取这些类别和　等级关系信息后，可按类别和等级绘制出仪表的　参考文献　网络图，更直观的对仪表进行数据监控。　［１］陈宗海，许志诠，沈廉．大型复杂化工过程实时动态仿　客户机程序周期性的读取当前数据表中的数　真的模型处理策略［Ｊ］．上海交通大学学报，１９９６（增　据，并直接显示在仪表网络图中。当用户双击代　刊）．５７．　（上接第５８页）　温度分布见图６。软件计算出风机工作点的风压　（ａ）使用某ＣＦＤ软件建立１：１热模型；　是１１０　Ｐａ，风量是１２０　ｍ。／ｈ，可见，风道其余部分　（ｂ）设置环境条件和各“对象”热参数。包括温　的风阻比较大，造成风压比较大。　度、重力条件、材料、热耗、风量、风压、有效面积等；　从计算结果来看，这种热设计方案应该能满　足此设备热控要求。　４测试和结论　该功放单元样机于２００８年设计出来的。在环　境温度４０。Ｃ下测试，工作正常，状态稳定。可见，　这种设计方案是可行的。　从使用ＣＦＤ软件建立设备热模型进行仿真的　过程中，可以发现简化模型很有必要，但是一定要　图６温度云图　“详略得当”，关键的部位一定要尽可能细致、逼真　（ｃ）划分网格。直接划分网格会发现网格数　的模拟真实的情况，对结果影响不大的地方可以　量太多（因为冷板中间的薄板只有０．３／／ｉａｒ），因此　简化处理，否则模型太大，计算时间过长。　把冷板作为一个ａｓｓｅｍｂｌｙ，采用非连续网格，网格　数大大减少，共９７万多个网格，如图５；　参考文献　（ｄ）检查气流。使用软件估算Ｒｅｙｎｏｌｄｓ和Ｐｅ．　［１］王健石，胡克全，胡泽安，等．电子设备结构设计标准手　ｃｌｅｔ数，选择湍流模型；　册［Ｍ］．北京：中国标准出版社，１９９３．　（ｅ）求解计算。功放器件底面的最高温度约　［２］邱戍悌，蒋全兴，等．电子设备结构设计原理［Ｍ］．南　为８２．４ｏＣ，４个功放器件中间点的温度为５８．６ｏＣ，　京：东南大学出版社，２００１．