某型基站大功率模块散热优化设计

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【摘要】在通信系统设计中可靠性设计是一个重要的设计环节，而设备的散热效果尤其是大功率设备的散热设计好坏对设备的可靠性有着至关重要的影响。根据实际设计工作中遇到的问题，利用热设计专业软件6SigmaET对某型基站大功率发热模块进行了散热数值模拟仿真，根据仿真结果对散热器进行优化设计，结果表明优化散热器结构参数可以在降低散热器重量的同时改善模块的散热状况。

【关键词】散热设计;数值模拟;优化;基站

基站是在一定的无线电覆盖区域中通过交换中心，与终端之间进行信息传递的无线电收发装置，它是无线通信系统的重要信息枢纽。整个基站的稳定性直接决定了整个通信系统是否稳定可靠地长期运行。在现代电子设备中，电子设备散热设计对设备的可靠性、稳定性至关重要。

目前基站设备越来越向大容量、大功率、高集成度方向发展，单位体积的热耗散也越来越大，而体积却越做越小，基站热设计已成为基站整机设计中越来越重要的问题。通常情况下，当温度超过一定值时电子器件的失效率随着温度增加按指数增加，不合适的冷却是使电子设备可靠性降低的主要原因之一，电子设备的故障20%是由于高温引起的[1]。

1.热设计与热仿真

1.1 热设计

一般情况下，热设计从狭义的角度上的定义是指对电子产品进行热控制，即对电子元器件以及整机或系统的温升进行控制所采取的措施[2]。

电子设备热设计的目的是要为电子设备内部各组成要素（如芯片、元件、组件、系统等）提供良好的热环境，确保电子设备内部各组成要素在所处的工作环境条件下温度不超过标准及规范所规定的最高温度， 保证它们在规定的热环境下，能按预定的参数正常、可靠地工作。

1.2 热量传递

热量传递是指能量从高温物体向低温物体转移的过程，是能量转移的一种方式。热量传递通过三种方式传播，即热传导、热对流、热辐射。

热传导是指依靠物体内部的温度差或两个不同物体直接接触，不产生相对运动，仅靠物体内部颗粒热运动传递能量，如分子碰撞、自由电子运动、分子热运动等。

热对流是指流体中温度不同的各部分之间发生相对位移是引起的热量的过程，如自然对流、受迫对流等。

热辐射是指物体由于热的原因内能转化为电磁波，通过电磁波辐射传递能量的过程。

一般情况下，热传递的三种方式往往是同时进行的。

1.3 热仿真

电子设备的散热方式很多，根据不同电子设备具体的热产生和传播机理，选择不同的散热方式保证电子设备在允许的温度范围内工作。在电子设备设计过程中可以借助热设计分析软件，确定或优化热设计方案，以便于达到设备的热环境要求。

电子冷却分析软件通过模型建立模型求解和结果解释三方面将电子产品的热效应分析放在了设计阶段，以期解决如下问题： 优化电子系统内结构设计参数; 对电子系统强迫对流和自然对流冷方案进行优化。

目前电子产品热设计中计算机仿真软件在界面、精度、可靠性、速度等方面都已成熟。如目前的6SigmaET软件，它是由英国Future Facilities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、自动简化模型功能。

2.基站大功率发热模块散热设计及优化

本研究中所涉及到的该型基站主要组成为天馈单元、功放单元、信道单元、控制单元、接口单元、电源单元和风机单元等。其中发热量较大的单元为天馈单元、功放单元和电源单元，其中天馈单元位于基站机柜上部，本次仅对基站天馈单元内的大功率发热模块的热设计及优化做以研究。

2.1 天馈大功率发热模块的散热设计

基站天馈单元3D 效果图如图1所示，整机尺寸为482.6×177×420mm。天馈单元主要由合路器和双工器等构成，其中大功率发热模块位于合路器部位。发热模块内部主要发热元是三个微带电阻器，单个平均功耗为50W，整体功耗为150W。

图1 基站天馈单元模型

天馈单元位于整个基站最上端，基站整机采用垂直式风道设计，根据天馈内部大功率发热模块的热耗散情况，借用基站机柜内已有垂直式风道形成的强迫风冷方式散热其优点在于：

（1）设备器件可布置在腔体或壳体内部，器件不与环境气体直接接触，避免灰尘、潮气等进入设备内部;

（2）借助已有风道的无风扇设计的设备可靠性明显高于有风扇参与的散射方式。

图2 大功率发热模块（合路器）散热尺截面图

发热模块的散热尺和整机风道方向一致，为垂直方向。发热模块内的热源（微带电阻器）安装在散热尺下面的腔体内壁上，温度通过腔体传递到腔体外面散热尺上，通过散热尺的表面与机柜内的垂直气流接触，通过热传递将热量散失到周围空气中，热气体通过自行上升或机柜顶部风机的提升排到基站外部。

根据天馈单元的尺寸和合路器散热方式的考虑，将合路器腔体（含散热器）截面设计为图2所示的形状。合路器腔体材质为铝合金，重量为3.8Kg。

2.2 仿真分析

基站使用环境温度为-20～+55℃，微带电阻器的工作温度范围为-55～+150℃。

首先，将天馈模型导入到6SigmaET中，并将与仿真运算关系不大的部件和零件等进行简化处理，以减少求解器的运算量。然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55℃，网格数上限为2848320，湍流模型为标准k-e模型。

标准k-e模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率，k方程是精确方程，e方程是由经验公式导出的方程。标准 k-e是目前工程流场计算中主要的工具，适用范围广，比较经济，有足够的精度。

所有设置完成后，提交给求解器计算。计算完成后查看散热温度云图，如图3所示，达到热平衡状态时的器件表面最高为91.7℃，温升不超过36.7℃，器件工作温度在其工作容许温度的范围内，满足设计要求。

图3 大功率发热模块（合路器）温度分布图

图4 优化后的散热器散热尺截面图

2.3 散热优化设计

由热平衡状态下的温度分布云图（图3）上可以看出，整个散热器两边约五分之一处的温度基本上与环境温度比较接近，发热主要集中在中间部位。可以发现热量很少传递到散热器两边边缘位置的散热尺上，中部的热阻比较大。为了达到最佳散热效果，采取相应减小接触热阻的措施（可采取加铟合金片或涂导热脂），保证良好的热传递。根据仿真情况，可以改进散热器形状，减小两端散热尺的空气接触面积，从结构参数上减小中间部分热阻，满足散热和支撑需求的情况下减轻腔体重量，优化后的含散热器截面设计为图4所示，重量为3.2Kg。

图5 优化后的大功率发热模块（合路器）温度分布图

模型修改完成后，重新提交计算，计算完成后查看散热温度云图，如图5所示，达到热平衡状态时的器件表面最高为91.1℃，相比优化前温度下降0.6℃，优化后的散热器质量下降15.8%。

根据工程验证的实际情况，在高温工作阶段（环境温度55℃），设备工作正常，位于热源附近的温度传感器温度为88.5℃，仿真数据接近真实发热情况。

3.结论

a.利用6SigmaET热仿真软件对基站大功率发热模块进行优化设计，在重量下降15.8%的同时，温升也下降了1.6%。

b.在产品研发初期，尤其针对大功率器件散热器要进行优化设计，利用先进的设计手段和方法找到最优设计参数，使重量，温升等指标达到最优。

c.在工程设计中，先进的热分析仿真技术有助于电子设备设计环节中的热设计，优化产品设计，提升产品设计质量和产品经济性。

参考文献

[1]王锡吉.电子设备可靠性工程[M].西安：陕西科学技术出版社，1999：50.

[2]李承隆.电子产品热设计即热仿真技术应用的研究[D].成都：电子科技大学，2010.

作者简介：吴赵兵（1983―），男，湖北枣阳人，哈尔滨工业大学硕士研究生，工程师，主要研究方向：电子设备结构设计、热仿真设计。