手持式干扰机的傅氏级数热布局优化
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摘 要： 针对手持式干扰机热布局的需要，利用傅里叶级数对影响热阻的因素进行优先级划分，通过芯片对热阻值影响的优先级依次对芯片进行布局，得到手持式干扰机电路板上芯片的最优布局方案。利用有限元分析软件ANSYS对最优布局方案进行仿真，结果表明，通过利用傅里叶级数对手持式干扰机电路板上的芯片进行优化布局，手持式干扰机的热阻值减小，散热变快。芯片的最高温度降低了4.75%，可靠性得到了提高。
关键词： 热分析； 傅里叶变换； 最优布局； 有限元分析
中图分类号： TN305.94?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）19?0131?05
Abstract： According to the heat layout needs of the handheld jammer， the factors affecting on the thermal resistance are performed for priority division with Fourier series. The chips are successively placed according to the chips priority affecting on the thermal resistance to obtain the optimal layout scheme of the chips on the handhold jammer circuit board. The optimal layout scheme was simulated with the finite element analysis software ANSYS. The results show that the Fourier series used for optimal layout of the chips on the handheld jammer circuit board can reduce the thermal resistance of the handheld jammer and quicken the heat dissipation， the maximum temperature of the chip is reduced by 4.75%， and the reliability of the handheld jammer is improved.
Keywords： thermal analysis； Fourier transform； optimal layout； finite element analysis
0 引 言
手持式干扰机以其体积小、隐蔽性好、重量轻和性能优良等显著特点成为干扰卫星信号的首选。但随着手持式干扰机体积的缩小，其内部元器件集成度越来越高，系统温度也随之越来越高。据统计，电子设备的主要失效形式就是热失效。随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长[1]。因此，对手持式干扰机电路板进行热设计，提高电路的可靠性和寿命具有重要意义[2]。
电路板温度升高的主要因素有以下几个方面：电子元器件布局密集、使用大功率集成芯片、电子设备长时间工作等[2]。目前，通常采用大量的仿真求解热传导方程，然后通过改变某一个变量来了解其变化趋势，马静等人通过元器件的布局优化分析得到了合适的布局方案，对比分析了考虑散热措施时的温度场分布[3]，但是这种利用仿真的方法很难展现出其数学趋势，并且需要大量的仿真工作。Wang P等人解释了傅里叶级数的多个热源，但是并没有分析其几何效应的趋势[4]。
本文提出一种傅里叶级数的热阻分析方法，将不同布局下的芯片对热阻的影响归结到热阻的系数矩阵上，利用改变芯片位置的方法将热阻值控制到最小。最后通过有限元分析软件ANSYS对布局优化结果进行分析，以仿真实验的方法验证了所提出的热布局优化方法的有效性。
1 热模型简化分析
1.1 模型简化假设
对手持式干扰机模型的假设包括两个方面：一是对手持式干扰机电路板元器件简化的假设；二是散热条件的假设。
对手持式干扰机的电路板简化包括两个部分的内容：对SMC/SMD的合理简化；对PCB电路板的合理简化。首先考虑对SMC/SMD的简化替代。小外形的片式电容器、电阻器，由于其体积小，热容量小，在工作中产生的热量可以忽略，在进行计算时可将其作为质量点加入到PCB基板上[5]。对于规则外形的发热元器件，在计算时忽略其引脚以规则的几何外形代替[6]。对于电路板的简化，主要考虑其层数以及电路板上金属布线对材料参数的影响。对于单一材料，其材料参数是各向同性的，但对于有金属布线以及多层电路板，其材料参数将呈现各向异性[7]。对于各向异性材料的电路板，将采用平均材料参数的方法对其进行简化。
对散热条件的假设也包括两部分内容。考虑到电路板的两种散热途径：通过热传导将热量分散到电路板上；通过热对流将热量分散到空气中。在兼顾精度和计算量的情况下，对于给定材料的电路板，其热传导系数假设为常数；热量在空气中的热对流系数假设为常数。因此，本文的分析中只考虑热传导、生热率、对流系数和温度这4个条件。
1.2 热简化模型的建立
在对手持式干扰机电路板进行简化假设后，需要对电路板建立简化模型。手持式干扰机电路板上主要有三个发热芯片，分别为控制芯片、信号产生芯片和功放芯片。控制芯片为STM32F103，信号产生芯片为AD9854，功放芯片为TRF37C75，其具体尺寸和功耗见表1。
4 结 论
本文对影响热阻的因素进行分析，通过将热阻扩展成傅里叶级数的形式确定热阻大小与发热芯片位置的关系，得到了手持式干扰机电路板中芯片的最优布局方案。根据优化方案，利用有限元分析软件对优化前后的电路板最高温度进行定量分析。结果表明，通过改变发热芯片的位置可以有效降低手持式干扰机电路板的最高温度，为低功耗小型化手持设备的电路板热布局优化提供了一种有效方法。
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