5G AAU 基站散熱技術(shù)研究與應(yīng)用

陳烈強(qiáng)

（上海中興軟件有限責(zé)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(jì)算、人工智能時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量以及速度的要求越來(lái)越高。為了能夠在下一代科技競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，我國(guó)率先在全球范圍了啟動(dòng)5G 的商用布局，2019年6月6日，工信部發(fā)布4張5G 牌照，標(biāo)志著5G 商用開(kāi)始，我國(guó)率先進(jìn)入5G 時(shí)代，2020年預(yù)計(jì)我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商的5G 投入達(dá)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(xiàn)的個(gè)數(shù)由4G 48陣子增長(zhǎng)到192陣子，通道數(shù)由4或者8通道增長(zhǎng)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(fù)雜度成倍的提升，其功耗是4G RRU 的2-4倍。為了外場(chǎng)能夠迅速的進(jìn)行站點(diǎn)部署，對(duì)于A(yíng)AU 的體積重量以及迎風(fēng)面均有較高的要求，因此對(duì)于基站的散熱有更大的挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)5G Sub_6G 64TR AAU 基站中存在的芯片單點(diǎn)功耗較高以及整機(jī)散熱方案的選擇進(jìn)行研究論述，提出解決單點(diǎn)散熱以及整機(jī)散熱方案滿(mǎn)足AAU 小型化以及輕量化外場(chǎng)部署需求。

2 5G 基站散熱技術(shù)研究

2.1 單點(diǎn)散熱技術(shù)的研究

5G Sub_6G AAU 中射頻單個(gè)芯片需要處理16TR/32TR 的100 M/200 M NR 信號(hào)，單芯片的負(fù)荷比較高，功耗比較大，部分芯片熱耗高達(dá)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A(yíng)AU 上進(jìn)行處理，需要增加基帶芯片，增加了整機(jī)的功耗，基帶芯片需要處理64TR 100 M/200 M 信號(hào)，其功耗高達(dá)幾十瓦。在A(yíng)AU 整機(jī)散熱設(shè)計(jì)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(diǎn)散熱，把散熱齒全部加高，會(huì)帶來(lái)整機(jī)體積和重量的大幅增加，得不償失，因此單點(diǎn)散熱技術(shù)研究對(duì)于A(yíng)AU 至關(guān)重要，本章節(jié)介紹熱管以及VC 均熱兩種技術(shù)在A(yíng)AU中解決單點(diǎn)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(gè)功能部分組成。如圖1所示，當(dāng)蒸發(fā)端開(kāi)始受熱的時(shí)候，管壁附近的液體就會(huì)瞬間汽化，產(chǎn)生蒸氣，此時(shí)這部分的壓力就會(huì)變大，蒸氣在壓差下會(huì)向冷凝端流動(dòng)。蒸氣流到達(dá)冷凝端后會(huì)冷凝為液體，同時(shí)釋放出大量的潛熱，最后在毛細(xì)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(dǎo)率可以達(dá)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(diǎn)問(wèn)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(lèi)似，如圖2所示，它是將熱管的一維導(dǎo)熱擴(kuò)展至二維導(dǎo)熱。VC 底部的液體在吸收熱源的熱量后，蒸發(fā)擴(kuò)散至真空腔內(nèi)，將熱量傳導(dǎo)至散熱齒片上，隨后冷凝為液體，來(lái)毛細(xì)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(diǎn)的熱量，迅速的向平面方向展開(kāi)擴(kuò)展，如此可以高效的降低熱點(diǎn)溫升，提升整機(jī)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(duì)這兩種技術(shù)，采用Flotherm XT 軟件進(jìn)行仿真對(duì)比。

仿真前提條件下：

①AAU 整機(jī)熱耗1000 W，整機(jī)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(zhǎng)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(jī)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(jī)散熱齒高度也可以降低從而整機(jī)重量降低、體積可以變小，因此，VC 均熱以及熱管散熱對(duì)于解決單點(diǎn)芯片功耗高的散熱有明顯的效果。

圖3 芯片無(wú)熱管無(wú)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(lèi)型來(lái)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(chǎng)家AAU 的參數(shù)，可以從表中看出，整機(jī)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(dòng)要求），整機(jī)的尺寸和重量代表了各個(gè)設(shè)備廠(chǎng)家的競(jìng)爭(zhēng)力，在同等功耗的條件下，如何把整機(jī)的體積重量做到最優(yōu)是每個(gè)設(shè)備廠(chǎng)家研究的重點(diǎn)方向，也是外場(chǎng)輕量化部署以及國(guó)際化推廣的強(qiáng)烈需求，這對(duì)于整機(jī)散熱方案提出了重大的挑戰(zhàn)，整機(jī)散熱需要不斷提升散熱密度以滿(mǎn)足小型化輕量化需求。

表2 5G各廠(chǎng)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(jiǎn)單、可靠性高、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)也比較明顯：由于熱空氣密度低，會(huì)自下而上的流動(dòng)，當(dāng)產(chǎn)品的高瘦比大于2至3時(shí)，整機(jī)頂部的散熱會(huì)受到不斷被加熱的熱空氣的影響，即熱級(jí)聯(lián)影響。這會(huì)使得整機(jī)頂部的器件更容易成為散熱瓶頸，制約整機(jī)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(chǎng)景的不同，其最佳傾角也會(huì)變化。V 齒方案提出的初衷就是為了解決直齒的熱級(jí)聯(lián)影響：齒間的熱空氣會(huì)沿V 字的兩側(cè)斜齒向整機(jī)的兩側(cè)導(dǎo)出，此時(shí)齒間會(huì)形成負(fù)壓，冷空氣會(huì)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(jí)聯(lián)影響，強(qiáng)化散熱。這種散熱方案在整機(jī)高瘦比比較大，或者整機(jī)較高的情況下有明顯的強(qiáng)化散熱效果。

2.2.3 仿真分析

仿真前提條件下：

①AAU 整機(jī)熱耗1000 W，整機(jī)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(jī)仿真中放置了4個(gè)。

③其他熱源為均布熱源，兩個(gè)300 W，兩個(gè)130 W。

在保證單板溫度、芯片溫度基本相同條件下，仿真對(duì)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(jī)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(guò)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(jí)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(jí)聯(lián)問(wèn)題，齒高降低了26 mm，整機(jī)的體積減少9.5 L（495 mm*800 mm*26 mm/106），整機(jī)的重量能夠降低，因此針對(duì)整機(jī)較高的AAU 這種形態(tài)，采用V 型齒對(duì)于整機(jī)輕量化以及小型化有很大的收益。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了采用熱管以及VC 管解決芯片功耗過(guò)高單點(diǎn)散熱的問(wèn)題，通過(guò)仿真，有較大的收益。并且針對(duì)目前AAU 的形態(tài)，通過(guò)V 齒與直齒的仿真對(duì)比，V 齒對(duì)于整機(jī)較高的AAU 形態(tài)能夠很好的解決級(jí)聯(lián)散熱，整機(jī)可以做的更輕更小，能夠更好地滿(mǎn)足外場(chǎng)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(jī)功耗降低，采用何種最優(yōu)的散熱技術(shù)需要持續(xù)進(jìn)行研究。