结合某型车载卫星通信产品的整机散热设计工作,利用有限元热仿真软件6SgimaET对散热方案的进行仿真和分析｡根据初步仿真结果对产品散热能力提出了改进和提升措施,并对措施进行闭环仿真验证,结果显示改进措施正确有效｡
有资料表明,电子设备的失效有55%是由于温度超过了规定值而引起的,并且电子设备内的元器件在很高的温度下工作时,其失效率按指数关系增长｡而对于通信产品来说,整机散热设计是产品质量和可靠性设计中至关重要的一环,尤其是以基站､交换机等为代表的通信基础设施设备,优异可靠的热设计可为通信系统稳定可靠地运行提供有力保障｡
电子产品散热设计一般是指通过对产品各组成部分的热分析,确定所需的热控措施,以调节其电子器件等组成的温度,使其本身及其所处的工作环境的温度不超过标准和要求所规定的温度范围｡随着通信行业的发展及产品迭代速度加快,通信设备的热设计已不再满足于控制相关温度在特定范围内｡面对行业和产品力的竞争､设备市场需求量的上涨(例如5G通信基站等设备数量的需求),通信产品最好的热设计一定是在满足要求的温度范围内寻求相对最优解,这个最优解可实现产品实力最具竞争力､企业利润最大化｡在寻求最优解这个过程中,如何以最短周期､最小成本地实现就需要解决手段的选择｡本文将针对某型车载卫星通信产品进行整机散热方案设计,并利用有限元热仿真软件6SgimaET对散热方案进行优化和改善,寻求整机热设计相对最优解｡
1设备介绍和散热方案
1.1设备介绍
某型车载卫星通信产品,主要使用场景是安装在车辆上,通过与卫星收发数据实现数据通信｡
设备的几何尺寸为700mm×400mm×90mm,工作温度范围为-40~55℃,主要发热模块有:发射模块(热耗功率170w),接收模块(热耗功率80W),射频处理模块(热耗功率8w),电源及控制模块(热耗功率43w),整个设备需排除的热功耗大约300W,由底座散热器几何参数可算出表面热流密度大约0.029W/cm2｡设备内主要功率芯片的工作壳温Tc≤115℃,因设备安装在车顶,使用过程中有人手接触设备外壳的可能,为避免意外烫伤,根据工程经验,设计目标限定人体可接触的设备部位最高温度不能超过75℃｡
1.2散热方案
设备顶部天线罩为透波材料,内部模块固定于设备底座(铝合金)上,散热途径为内部发热模块通过可靠热接触将热量传递至设备底座,再与外部空气完成热交换散热｡
在产品设计开发环节中,最佳散热方案的选择需要考虑到设备的使用环境､可靠性､成本等因素｡本案例涉及到的设备为车载型设备,在车辆快速行驶过程中可借助车辆行驶反方向的气体流参与强迫风冷散热;在车辆静止停泊无风状态下,根据前面算出的底座散热器的表面热流密度(0.029W/cm2),该状态下自然对流风冷散热已无法满足要求,需加入风机强迫风冷散热｡综合考虑车辆行进和停泊两种状态,设计散热风道如图1所示,风道分为靠风机提供的主动散热风道和靠车辆行进气流形成的被动散热风道,风机根据设备内部温度状态智能温控启动和调速｡散热设计一般是按设备最大工况和最大工作环境影响复合进行考虑的,本次的散热设计及优化验证是按车辆静止状态时进行的｡
2热仿真验证及优化设计
2.1 6SigmaET简介及仿真环境搭建
仿真软件选用6SigmaET,它是由英国FutureFacilities公司开发的新一代热分析软件,具备系统､设备､板､器件等级别的散热设计解决能力｡6SigmaET具备快速建立模型功能､查错功能､智能化网格生成功能､自动简化模型等功能｡
为提高仿真计算效率和准确性,在仿真模型处理上需要将模型简化处理,对不影响传热和散热的无关部件进行删除和简化｡将简化后的模型导入仿真软件后,完成仿真环境的建模,包括测试空间设置､热源定义､材料属性定义､风道设置等｡完成建模后,设置求解器参数:环境温度为25℃,湍流模型为标准k-e模型,风机设为Fixedflflow模式,单个风机流速设置为0.01m3/s(21.2CFM)｡
2.2仿真计算及结果分析
在仿真软件中完成仿真环境的搭建后,完成网格划分和模型检查后即可提交给计算机进行求解｡为节省求解时间,网格的目标数量也要做好合理设置,同时较好的计算机硬件配置和设置多核并行计算都可以提高求解效率｡如图2所示,当CFD迭代求解的残差值区域稳定时,整个热仿真结果也已趋于稳态和收敛,此时可手动结束求解运算｡
求解完成后进行结果查看,提取模型整个表面温度结果如图3所示｡从温度云图中可以看出:
(1) 设备发射模块位置处温度最高,为41.1℃(环境温度25℃),温升16.1℃;
(2) 设备外壳最高温度位于发射模块底部风机挡板处,温度为38℃;
(3) 从整个模型表面温度分布可以看出,温度最高位置和其周围区域温度梯度大,底座四周温度不均匀度高,底座后部散热利用率低｡
2.3散热优化设计及验证
通过以上仿真结果可以看出,虽然散热结果可以保证功率器件安全工作､设备外壳最大温升低于要求的20℃,但从温度云图上看仍然有优化空间｡从提升散热效率考虑,可在改善底座散热器的整体热阻和与周围环境的换热效率方面进行优化设计,主要措施为:
(1) 增加发射模块底部凸台壳体的局部厚度,增大凸台与底座之间的倒角过度;
(2) 在底座镶嵌热管,将发射模块凸台周围的热量向底座两侧和后部引导;
(3) 适当加密发射模块对应的底座外部散热尺的密度和接触面积｡
经过以上改进,重新修改仿真模型,并再次提交仿真计算,其仿真结果如图4所示,从表面温度云图中可以看出,发射模块位置处温度最高,为39℃(环境温度25℃),温升14℃,发射模块最高温升降低2.1℃,并且底座均温情况有不小改善｡
不过从发射模块对应的底座局部温度来看,热量仍较集中,在底座结构空间尺寸和成本约束的情况下,也可通过增加局部位置的用于热交换的外部空气流量来进一步提升散热效果｡这里在上一步优化底座散热设计的基础上,将发射模块下方的两个风机的进风量由0.01m3/s(21.2CFM)提高到0.015m3/s(31.8CFM),并提交计算仿真,最终仿真结果如图5所示,发射模块位置处温度最高,为37.4℃(环境温度25℃),温升12.4℃,发射模块最高温升和上一步相比降低1.6℃,和最初设计相比降低3.7℃｡
3结论
(1) 通过优化设备整体散热方案,可显著改善设备整体散热情况;
(2) 在产品散热设计过程中,CFD仿真软件6SigmaET可以方便快速地模拟设备内部温度场和散热情况,验证设计方案的正确性,并能及时发现方案中存在的问题,以便设计师快速调整设计方案和闭环;
(3)对于产品竞争力和企业利润最大化来说,产品的热设计是一个寻求相对最优解的过程,借助仿真技术可降低设计成本和重复性,使产品能够高质量､高性能､短周期地进入市场｡
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