基于插片散熱器的某功放單元設(shè)計(jì)

摘" 要： 設(shè)計(jì)一款可在室內(nèi)機(jī)房環(huán)境條件下工作，總熱耗約為2 700 W，結(jié)構(gòu)緊湊、散熱方式簡(jiǎn)單、散熱效果良好，可安裝在19寸機(jī)柜內(nèi)的功放單元。依據(jù)該功放單元工作原理、內(nèi)部器件布局、熱耗，綜合考慮散熱與結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)一種采用組合插片散熱器強(qiáng)迫風(fēng)冷的方案。通過(guò)功放模塊和電源分組固定安裝在分層的3個(gè)插片散熱器上，同時(shí)與設(shè)備側(cè)壁形成完整的風(fēng)道的方式，實(shí)現(xiàn)了功放單元的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱；并對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了熱傳導(dǎo)與散熱理論計(jì)算，同時(shí)運(yùn)用仿真軟件建立模型，進(jìn)行數(shù)值分析。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，該功放單元正常工作熱交換達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，功放模塊外殼最高溫度為64.2 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)實(shí)物樣機(jī)驗(yàn)證了該功放單元基于組合插片散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性，以及計(jì)算、仿真方法的合理性、正確性。

關(guān)鍵詞： 功放； 插片散熱器； 強(qiáng)迫風(fēng)冷； 風(fēng)冷散熱； 理論計(jì)算； 熱設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN312.8?34； TK124" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）10?0052?05

Design of power amplifier using fin heat sinks

Abstract： In order to design a power amplifier that can work under indoor computer room environmental conditions， with a total heat consumption of about 2 700 W， a compact structure， simple heat dissipation method， good heat dissipation effect， and can be installed in a 19 inch cabinet. Based on the working principle of the power amplifier unit， internal device layout， heat consumption， and comprehensive consideration of heat dissipation and structural requirements， a scheme using a combined plug?in heat sink for forced air cooling is designed. By fixing the amplifier module and power supply group on three layered plug?in heat sinks， and forming a complete air duct with the equipment sidewall， the forced air cooling heat dissipation of the amplifier unit is realized. Based on the working principle of the power amplifier unit， internal device layout， heat consumption， and comprehensive consideration of heat dissipation and structural requirements， a design scheme using a combined plug?in heat sink for forced air cooling is designed. The power amplifier module and power supply are installed in groups on three layered heat sinks， and a complete air duct is formed with the equipment sidewall to achieve forced air cooling and heat dissipation of the power amplifier unit. Theoretical calculations of heat conduction and heat dissipation were conducted on the device， and a model was established by the simulation software for numerical analysis. The numerical simulation results show that when the heat exchange of the amplifier unit reaches equilibrium during normal operation， the maximum temperature of the amplifier module casing is 64.2 ℃， which meets the design requirements. The feasibility of the design scheme of the power amplifier unit based on the combination insert heat sink structure and the rationality and correctness of the calculation and simulation methods are verified by means of the physical prototypes.

Keywords： power amplifier; insert heat sink; forced air cooling; air cooling and heat dissipation; theoretical calculations; thermal design

0" 引" 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備功率密度越來(lái)越高，特別是功率器件發(fā)熱量大、熱量密度高，需要選擇合理有效的散熱方式把器件的溫度控制在規(guī)定的數(shù)值下[1]。因此對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和分析，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高電子設(shè)備可靠性的重要措施[2]。鋁翅片散熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、散熱面積大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在功率器件上。人們?cè)诔Ｒ?guī)散熱器肋片形狀與肋片厚度、高度、間距等主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)方面開(kāi)展了豐富研究與試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)于提高散熱能力的新型散熱器也在探索，如插片式熱管翅散熱器與帶內(nèi)流道的板翅式換熱器等[3?4]。

功率設(shè)備散熱方案通常比較復(fù)雜，相關(guān)文獻(xiàn)[5?7]主要關(guān)注熱設(shè)計(jì)措施和方法，而忽略設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且關(guān)于組合多個(gè)插片散熱器的應(yīng)用研究較少。

基于此，本文設(shè)計(jì)一種基于插片散熱器某功放單元。本文中功放單元電器原理是通過(guò)多個(gè)功放模塊的合成輸出功率。該功放單元中主要熱耗器件是功放模塊和電源。因功放模塊具有功耗密度大、體積小等特點(diǎn)，所以功放器件的散熱是功放設(shè)備散熱的核心問(wèn)題。本文中采用三個(gè)插片散熱器組合完成了某功放單元結(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該功放單元正常工作熱交換達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，功放模塊外殼最高溫度為64.2 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

1" 物理模型與結(jié)構(gòu)

首先對(duì)功放單元電氣工作原理、內(nèi)部部件的數(shù)量與熱耗、使用環(huán)境條件進(jìn)行分析，然后綜合維修性、熱設(shè)計(jì)、力學(xué)強(qiáng)度設(shè)計(jì)等因素，形成設(shè)備結(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)方案。

該功放單元中6個(gè)功放模塊與功放電源總熱耗分別約為1 800 W和900 W，整個(gè)設(shè)備發(fā)熱量約為2 700 W，設(shè)備在室內(nèi)工作，環(huán)境溫度為（23±5） ℃。功放設(shè)備常用的散熱方式為液冷散熱和風(fēng)冷散熱兩種[5?6]。液冷散熱雖然散熱能力較強(qiáng)，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高、維護(hù)維修繁瑣、易漏液等缺點(diǎn)；風(fēng)冷散熱具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、費(fèi)用低、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[6?7]中指出，在熱流密度小于0.3 W/cm2的情況下，可直接強(qiáng)迫風(fēng)冷，功放模塊的熱流密度約為0.7 W/cm2， 需要安裝散熱器增大散熱面積。選用插片式散熱器進(jìn)行散熱，插片散熱器具有散熱面積大、散熱效率高的特點(diǎn)[3，8]；采用抽風(fēng)式散熱，抽風(fēng)時(shí)設(shè)備為負(fù)壓不易形流速死角，是目前常用的風(fēng)冷方式。

在散熱器A上下表面通過(guò)螺釘安裝功放模塊，散熱器A上固定好功放模塊與合成器組件后，連接相應(yīng)線纜；然后將散熱器B通過(guò)螺釘與散熱器A連接成一個(gè)整體，同時(shí)使散熱器B壓緊功放模塊，最后散熱器B另一面安裝電源模塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。發(fā)熱量最大的功放模塊上下表面均貼有散熱器進(jìn)行散熱，電源模塊單面貼緊散熱器B，功放模塊與電源模塊產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導(dǎo)方式導(dǎo)入散熱器的基板，散熱器的散熱齒縱向延伸、橫向排布，并聯(lián)4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)對(duì)設(shè)備整體進(jìn)行抽風(fēng)冷卻[9]。如圖2所示，功放模塊、電源模塊、合成器組件、散熱器、左右側(cè)板、上下蓋板、前后面板組裝成完整的設(shè)備，要求散熱器A上下表面固定的三合成器的厚度小于功放模塊的厚度，以便散熱器B緊貼功放模塊；上下蓋板粘貼膠木板保證上下蓋板與電源模塊絕緣。上下蓋板與側(cè)板形成完整的風(fēng)道，前面板設(shè)置長(zhǎng)條形通風(fēng)孔，整個(gè)通風(fēng)面積與風(fēng)扇通風(fēng)面積相當(dāng)；后面板安裝4個(gè)交流風(fēng)機(jī)抽風(fēng)散熱，工程上由于考慮風(fēng)阻，通常按照1.5～2倍的風(fēng)機(jī)風(fēng)量選擇風(fēng)扇，選用直徑為127 mm的風(fēng)扇，單個(gè)風(fēng)量為0.05 m3/s，最大靜壓為70 Pa。所有電氣接口設(shè)計(jì)在后面板上，設(shè)備外形尺寸為420 mm×550 mm×290 mm（寬×深×高），重量約35 kg。

散熱器本身是器件的安裝載體，又是熱源散熱的途徑。功放模塊和電源產(chǎn)生的熱量經(jīng)過(guò)外殼，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳至散熱器基板，最終通過(guò)風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷散至周?chē)h(huán)境中。

2" 散熱器設(shè)計(jì)與加工

散熱器的設(shè)計(jì)要綜合考慮電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求、成本、風(fēng)壓、散熱效率、加工工藝等條件[10]。翅片的厚度越小，齒間距越大；翅片的高度越大，風(fēng)道的阻力越小。翅片越厚，熱阻越小；齒間距越小，翅片的數(shù)量越多，散熱面積越大。

本文參考工程案例并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選用直肋式散熱器，散熱器基板厚10 mm，散熱器A散熱齒高為76 mm，厚1.5 mm，間距為6.5 mm；散熱器B散熱齒高為40 mm，厚1.5 mm，間距為6.5 mm。

插片散熱器主要采用真空釬焊加工[11]，在一定真空度下，將被連接材料加熱到低于焊件、高于釬料的熔化溫度，使填充材料熔化，母材與釬料發(fā)生相互作用冷卻凝固后，形成冶金結(jié)合的連接方法。使用該方法能夠制造出高密度的散熱器，其加工工藝復(fù)雜，成本較高，但散熱器長(zhǎng)寬比較大，散熱效率高。但該方法因其散熱翅片和底座之間采用焊接連接，存在焊接熱阻，對(duì)散熱片的散熱性能會(huì)有所影響。

3" 冷卻系統(tǒng)的計(jì)算與校核

設(shè)計(jì)要求功放模塊的表面溫度lt;70 ℃，電源表面溫度lt;80 ℃。設(shè)冷卻空氣入口溫度為tb=30 ℃，風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，冷卻空氣出口溫度溫升不超過(guò)15 ℃散熱效果最佳。若th=45 ℃，6個(gè)功放模塊與散熱器接觸面熱量約為900 W，則定性溫度tf=0.5×（tb+th）=0.5×（30+45）=37.5 ℃，Δt=th-tb=15 ℃。空氣物性參數(shù)如下：比熱Cp=1 005 J/（kg·℃）；導(dǎo)熱系數(shù)k=2.83×10-2 W/（m·℃）；普朗特?cái)?shù)Ρr=0.699；運(yùn)動(dòng)黏度υ=18.2×10-6 m2/s；動(dòng)力黏度μ=2×10-5 kg/（m·s）。質(zhì)量流量（單位為kg/s）可由熱平衡方程求得：

空氣主要通過(guò)三個(gè)散熱器，散熱器A的散熱齒高度是散熱器B的2倍。散熱齒間距與厚度一致，考慮到散熱器的風(fēng)阻差異，初步估計(jì)流過(guò)散熱器A的風(fēng)量約是散熱器B的2倍，流過(guò)散熱器A的質(zhì)量流量（W1）為0.089 kg/s，流過(guò)散熱器B的質(zhì)量流量為0.045 kg/s。

散熱器A每個(gè)冷卻空氣通道的當(dāng)量直徑（單位為mm）為：

式中：A為槽道橫截面積；U為流體的濕潤(rùn)周邊長(zhǎng)。

散熱器A冷卻空氣通道的通道數(shù)為50個(gè)，每個(gè)通道的質(zhì)量流量（單位為kg/s）為：

[W'=W150=1.78×10-3] （3）

每個(gè)通道的質(zhì)量流速（單位為kg/（s·m2））為：

每個(gè)通道的雷諾數(shù)為：

由于冷卻通道縱橫比（[766.5]）gt;8，計(jì)算考爾本數(shù)[12]，公式如下：

換熱系數(shù)hc（單位為W/（m2·℃））為：

[hc=JCpG'Pr-2/3=3.23×10-3×1 005×3.6×0.699-2/3=14.8] （7）

可算出功放模塊到散熱器A的溫降（單位為[℃]）為：

式中：[?]1為散熱器A的散熱量，為功放模塊總熱量的[12]，約900 W；Αc為散熱器表面積，Αc=50×2×（76+6.5）×400=3.3 m2。

功放模塊與散熱器之間存在接觸熱阻Rs，接觸熱阻與接觸表面的粗糙度、接觸壓力以及填充介質(zhì)均有關(guān)系，[Rs]（單位為[℃/W]）、[ΔT]（單位為[℃]）公式如式（9）、式（10）所示。表面粗糙度越小，接觸壓力越大，介質(zhì)導(dǎo)熱率越高，形成的接觸熱阻就越小[13]。為減小接觸熱阻，在功放模塊與散熱器涂抹導(dǎo)熱硅脂。

式中：δ為導(dǎo)熱硅脂厚度，取0.08 mm；[Ks]為導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)；[As]為功放模塊與散熱器的接觸面積。

功放模塊表面溫度[tc]（單位為[℃]）為：

[tc=tf+Δt+ΔT=37.5+18.4+1=56.9] （11）

4" 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真

經(jīng)驗(yàn)理論計(jì)算不能準(zhǔn)確地計(jì)算設(shè)備的溫度分布，同時(shí)模型的簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不精確。采用熱仿真軟件對(duì)該功放單元進(jìn)行仿真計(jì)算，建立模型，依據(jù)估算的雷諾數(shù)選擇紊流模型，設(shè)定環(huán)境溫度為30 ℃，入口設(shè)置為體積流量入口，依據(jù)風(fēng)機(jī)曲線設(shè)置流量；出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力默認(rèn)為1個(gè)大氣壓，并設(shè)置收斂判據(jù)等后，劃分網(wǎng)格運(yùn)算。仿真結(jié)果如圖3所示，功放模塊平均溫度約為64 ℃，滿足小于70 ℃的設(shè)計(jì)要求；電源模塊單面散熱，平均溫度為67 ℃，低于設(shè)計(jì)要求80 ℃，如圖3、表1所示。單個(gè)風(fēng)量流量為0.036 8 m3/s，所選風(fēng)扇風(fēng)量總和大于理論計(jì)算值；散熱器A內(nèi)部的空氣流速約為2.3 m/s，散熱器B內(nèi)部的空氣流速約為2.6 m/s，如圖4、表1所示。

通過(guò)觀察散熱器A的溫度分布，發(fā)現(xiàn)散熱器基板貼熱源部位溫度最高為65 ℃，進(jìn)氣端溫度最低為43 ℃，出氣端溫度居中，為56 ℃。但發(fā)現(xiàn)散熱器A的溫度不夠均勻，進(jìn)出氣口的溫差達(dá)20 ℃，溫度圖如圖5所示。最高流速數(shù)據(jù)如表2所示。

功放物理樣機(jī)實(shí)物圖如圖6所示。在室內(nèi)溫度約為25℃的情況下，該功放單元實(shí)物初樣工作性能穩(wěn)定后，監(jiān)測(cè)功放模塊外殼的溫度約為58.5 ℃，出風(fēng)口處空氣溫度為40 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。但熱耗估算、計(jì)算模型簡(jiǎn)化、輻射影響、接觸熱阻的簡(jiǎn)化、仿真模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格的大小和質(zhì)量等因素[14]會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算、仿真分析與樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的差異。

5" 結(jié)" 語(yǔ)

本文基于插片散熱器，綜合結(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì)，采用多層組合插片散熱器實(shí)現(xiàn)功放的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行了理論計(jì)算，并仿真分析了功放單元的溫度分布和設(shè)備內(nèi)部氣流狀態(tài)；其次，研制了原理樣機(jī)，樣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，散熱效果好，工作性能穩(wěn)定，證實(shí)了功放單元散熱、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方案的合理性以及理論計(jì)算、仿真分析方法的正確性，為進(jìn)一步研制工程樣機(jī)奠定了基礎(chǔ)。下一步可開(kāi)展優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)方面的研究，以進(jìn)一步減輕設(shè)備重量與體積，使散熱器溫度均勻，提高散熱效率。

插片散熱器具有散熱面積大、重量輕等特點(diǎn)，較傳統(tǒng)散熱器具有明顯優(yōu)勢(shì)，非常適合在風(fēng)冷系統(tǒng)中應(yīng)用，相同體積比型材散熱表面增加2～3倍，傳熱效率[12]可達(dá)78%～90%。插片散熱器在滿足設(shè)備或器件相同散熱要求的情況下尺寸可減少50%以上，同時(shí)可減輕設(shè)備重量[7]，能夠在工程實(shí)踐中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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