某戶外電子設(shè)備的熱設(shè)計及仿真試驗

陳炳榛 鄧世怡 徐嬌嬌

摘 要：當(dāng)電子設(shè)備應(yīng)用到戶外的時候，不僅對環(huán)境的適應(yīng)能力有著較高的要求，而且對工作溫度、防雨、功耗等方面也有著較高的要求。對于戶外電子設(shè)備體積小、功耗大、外殼材料的導(dǎo)熱性能差等一系列問題，采用熱設(shè)計及仿真試驗分析，可以在產(chǎn)品設(shè)計時得到溫度分布，提升電子設(shè)備的可靠性及使用期限。文章主要分析電子設(shè)備熱設(shè)計的內(nèi)容及方法，闡述整體設(shè)計方案及熱仿真模型的建立，并討論了熱仿真分析及結(jié)果，從而加強戶外電子設(shè)備產(chǎn)品的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞：戶外電子設(shè)備;熱設(shè)計;仿真試驗

0 引言

由于電子技術(shù)的發(fā)展，使得電子設(shè)備逐漸成熟且微型化，但其功率卻不斷增大，導(dǎo)致一定體積下的熱量持續(xù)增加。因此，在電子設(shè)備設(shè)計過程中，熱設(shè)計對產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要的影響。良好的熱設(shè)計能夠極大地促進電子設(shè)備工作時的安全性和可靠性。傳統(tǒng)的熱設(shè)計一般按照經(jīng)驗或者換熱公式進行預(yù)先估計，然后再對產(chǎn)品進行檢驗。此種方式結(jié)果不準確，且浪費材料，散熱效果差。所以，需要在電子產(chǎn)品的設(shè)計階段就進行熱設(shè)計及仿真實驗，從而提升產(chǎn)品的可靠性能。由此可見，對某戶外電子設(shè)備的熱設(shè)計及仿真試驗進行研究具有重要的意義。

1 電子設(shè)備熱設(shè)計的內(nèi)容及方法

1.1? 熱設(shè)計內(nèi)容

電子設(shè)備熱設(shè)計主要是為了完成系統(tǒng)的一些功能而應(yīng)用的冷卻技術(shù)和方法。熱設(shè)計需要解決的核心問題是由于電子組裝密度的增加而導(dǎo)致的高熱流密度以及冷卻方法之間的矛盾問題。因此，設(shè)計者必須有效利用冷卻系統(tǒng)的功能，以及冷卻系統(tǒng)的使用成本、維護性等基本的設(shè)計原則來解決這一問題，采用科學(xué)、合理的熱設(shè)計方案是目前工程師需要關(guān)注的重點內(nèi)容[1]。

電子設(shè)備的熱分析軟件給設(shè)計者提供了全新的方式，能夠有效解決上述問題，利用熱分析軟件進行熱模擬，能夠準確得到熱設(shè)計的效果，并且得到之前熱設(shè)計過程中存在的不足之處，這樣設(shè)計者就能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備的熱設(shè)計進行完善和優(yōu)化，從而提升電子設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

電子設(shè)備的熱設(shè)計過程包括幾個環(huán)節(jié)：有效的冷卻方法、電子元器件及模塊的布局處理、氣流的通道、風(fēng)扇的設(shè)計、散熱器的選擇、器件接觸電阻的有效控制等，從而保證電子設(shè)備中的元器件在合理的溫度范圍內(nèi)，同時可以可靠、正常的運行。

熱交換器主要是進行加熱或者冷卻的操作，主要是由一組散熱片構(gòu)成的散熱器進行相應(yīng)的操作，同時通過風(fēng)扇來強制對流換熱。此外，散熱器的電阻值對熱交換器的散熱性能有著關(guān)鍵性的影響。當(dāng)散熱器兩端的傳熱系數(shù)接近的時候，必須對兩側(cè)進行傳熱強化。在傳熱強化的過程中，采用不斷擴大散熱器表面積的方法或者優(yōu)化流體流動的方式，從而優(yōu)化熱交換器的換熱效果，減少熱交換器的尺寸大小。

1.2? 熱設(shè)計的方法

傳熱方法主要包括傳導(dǎo)、對流以及輻射等3個方面，熱設(shè)計中的熱交換也可以采用這3種方式。在實際應(yīng)用的過程中，主要采用一種方式，或者兩種方式，并且3種傳熱方法的作用效果類似，都有著較好的應(yīng)用性能。對于電子設(shè)備熱交換器的熱量交換過程而言，主要采用對流或者傳導(dǎo)方式，電子設(shè)備柜內(nèi)溫度高達60～75 ℃，在這一條件下可以忽視輻射傳熱。此外，流體動力學(xué)也是熱設(shè)計仿真過程中重要的理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，各種類型的換熱器都以傳熱學(xué)和流體動力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，也使得電子設(shè)備得到了長久的發(fā)展[2]。

熱設(shè)計主要是把電子設(shè)備中的余熱排到設(shè)備的外部，并且保證內(nèi)部的溫度控制在合理范圍內(nèi)。通過熱設(shè)計仿真軟件，能夠高效得出設(shè)備熱設(shè)計的分析結(jié)果，在一定程度上保證了產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量。按照電子設(shè)備熱設(shè)計的實際需求，前端熱設(shè)計這一理念被提出，就是指在產(chǎn)品設(shè)計的前期以及過程中明確好熱設(shè)計的方案方法，并且對熱設(shè)計方案的可靠性進行研究，精確的估計最終的結(jié)果，并且在后續(xù)的設(shè)計過程中進行優(yōu)化分析和調(diào)整。隨著電子設(shè)備研發(fā)市場的快速發(fā)展，人們對戶外電子設(shè)備的需求也越來越多，這一設(shè)計理念得到了廣泛的應(yīng)用。

2 ? 整體設(shè)計方案

在設(shè)計的過程中，需要遵守?zé)嵩O(shè)計的準則。第一，降低發(fā)熱量。可以使用較好的控制方式及技術(shù)，同時應(yīng)用功耗較低的元器件，避免應(yīng)用過多的發(fā)熱器件。第二，增加散熱?？梢酝ㄟ^傳導(dǎo)、對流以及輻射等傳熱方式，加快熱量的傳輸。第三，要在最大程度上避免因運行時間、功率變化、環(huán)境變化等因素導(dǎo)致的熱瞬變，從而保證各個器件的溫度波動降到最低，提升電子設(shè)備的穩(wěn)定性。第四，使用簡單的冷卻方式，同時保證冷卻設(shè)備的輕便可靠性。第五，在熱設(shè)計的過程中，會受到很多不確定性因素的影響，所以最終的結(jié)果可以存在一定的誤差。

電子設(shè)備主要由電源、天線、接受模塊、信號處理模塊和接口等幾個部分組成。其設(shè)備內(nèi)部的主要器件以及模塊的功率為：芯片1功率40 W;芯片2功率10 W;芯片3功率1 W;芯片4功率1 W;芯片5功率1 W;電源模塊功率10 W;接收模塊 1功率27 W;接收模塊2功率10 W。各個器件模塊的總功率為100 W，且數(shù)量均為1。其中，芯片1是整個電子設(shè)備的核心元器件，功率是整機功率的40%。功耗較大，同時體積小，因此芯片1的功率密度較大，需要重點關(guān)注并考慮芯片1的設(shè)計。

3 ? 熱仿真模型的建立

3.1? 模型的簡化處理

為了實現(xiàn)熱仿真模型建立的簡潔化過程，進一步提升仿真的準確程度、節(jié)約設(shè)計時間，可以對戶外電子設(shè)備的外部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部布局進行簡化處理，去除圓角、倒角以及拔模斜度等。當(dāng)對接口部分以及調(diào)試口進行簡化處理之后，需要利用實體將相應(yīng)位置處的空隙位置填充完整。

3.2? 仿真模型的建立

戶外電子設(shè)備的后殼是金屬材料，本文采用鋁合金材料，此種材料重量輕而且導(dǎo)熱性能好。前殼的地方主要是保障天線的接收性能。可以采用非金屬材料，而且導(dǎo)熱系數(shù)較低，一般是0.4 W（m.k），芯片1到芯片5需要布置在印制板當(dāng)中。

芯片1是戶外電子設(shè)備的核心器件，由于功耗比較大，所以必須對其采用散熱設(shè)計等方法。為了保證設(shè)計目標的有效實現(xiàn)，可以應(yīng)用大面積銅板和器件進行相連，利用傳導(dǎo)方式把熱量迅速的排出，再把銅板和外殼之間進行密切的連接。芯片1的熱傳導(dǎo)過程順序可以表示：芯片外殼、銅板、導(dǎo)熱墊、后殼、空氣。

對于戶外電子設(shè)備而言，必須進行防雨設(shè)計，所以整機可以使用自然散熱的方法。利用天線罩、后殼和密封墊，整機能夠產(chǎn)生一個封閉體，利用后殼能夠加大散熱面積，使得表面積得到增加，從而在一定程度上提升散熱性能。接收模塊1以及接收模塊2和電源模塊和后殼進行連接，之間可以添加導(dǎo)熱墊[3]。

4 熱仿真分析及結(jié)果

4.1? 仿真結(jié)果分析及設(shè)計優(yōu)化

通過仿真結(jié)果能夠得出各個元器件以及模塊的溫度值，其中，芯片1的溫度89.7℃;芯片2的溫度88.1℃;芯片3的溫度85.3℃;芯片4的溫度85.4℃;芯片5的溫度85.2℃;電源模塊的溫度83.3℃;接收模塊1的溫度90.1℃;接收模塊2的溫度86.5℃。根據(jù)各個元器件模塊和印制板溫度的云圖分布能夠得出，芯片1的功率最大，其殼體溫度為89.7攝氏度，芯片1的熱阻表示：Rjc=0.16℃/W。

Tj=Tc+Rjc×P=89.7+0.16×40=96.1（℃）

其中，Tj表示芯片的溫度;Tc表示芯片的殼溫;Rjc表示芯片的結(jié)殼熱阻;P表示芯片的功耗。

因此，當(dāng)各個芯片的結(jié)溫度是96.1（℃）時，比芯片規(guī)定的最高運行結(jié)溫度110 ℃要低。

戶外電子設(shè)備整機使用自然散熱的方式，內(nèi)部較為封閉，而空氣始終為循環(huán)的情況。當(dāng)整機處于熱平衡狀態(tài)時，戶外電子設(shè)備內(nèi)部的空氣溫度保持恒定，此時，底部區(qū)域比頂部區(qū)域要低1 ℃，和預(yù)期的要求一致。

芯片1中主要應(yīng)用了銅板散熱器，其尺寸對設(shè)備的散熱功能起到了重要的影響，因此可以設(shè)置多個尺寸的銅板散熱器，然后進行仿真與優(yōu)化，從而得到最好的結(jié)果。在設(shè)計過程中，對設(shè)備整機厚度有著較高的要求，銅板散熱器的厚度大約為3毫米。在優(yōu)化仿真時，只需對長度進行設(shè)計。芯片和銅板散熱器的形狀均為正方形，優(yōu)化設(shè)計之后的結(jié)果如表1所示。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)銅板散熱器的尺寸為50×50×3的時候，芯片1的溫度最低為89.7 ℃。所以，可以根據(jù)這一標準進行散熱器的設(shè)計。

4.2? 測試實驗

為了進一步表明仿真結(jié)果的正確性，對戶外電子設(shè)備進行熱測試的時候，對相關(guān)的器件溫度進行記錄，然后對比研究，其結(jié)果如表2所示。

根據(jù)對比結(jié)果可知，仿真溫度和實測溫度之間的最大誤差為2.4℃。因為仿真模型極大的簡化參數(shù)設(shè)置以及過程，而且受到實際測量過程中誤差因素的影響。然而仿真溫度和實測溫度之間的誤差都在3℃以下，證明實測值及仿真值都滿足設(shè)備的使用需求。除此之外，通過對比分析可知，在戶外電子設(shè)備設(shè)計的過程中進行仿真熱分析，能夠準確計算出功耗元器件的運行溫度。而芯片以及模塊的散熱器的優(yōu)化設(shè)計，可以在一定程度上幫助設(shè)計者找出最佳的散熱器形狀以及尺寸，并且對戶外電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及PCB電路板布置的科學(xué)性作出判斷。

5 結(jié)語

本文對某戶外電子設(shè)備的熱設(shè)計及仿真試驗的研究表明戶外電子設(shè)備具有體積小、功耗大、外殼材料的導(dǎo)熱性能差等一系列問題。采用熱設(shè)計及仿真試驗分析，可以在產(chǎn)品設(shè)計時得到溫度分布，提升電子設(shè)備的可靠性及使用期限。通過熱仿真分析可得電子設(shè)備內(nèi)部的發(fā)熱器件的溫度分布，這對整機的熱設(shè)計和仿真試驗起到了重要的作用。此外，本文提出的某戶外電子設(shè)備的熱設(shè)計符合環(huán)境的使用條件，說明了此方案的可行性。通過對比分析實驗數(shù)據(jù)以及優(yōu)化后的數(shù)據(jù)可以得到使用自然散熱的方法，極大地滿足了設(shè)備的最高溫度要求。

[參考文獻]

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[3]王家明，劉魯軍，周瑞.戶外電子設(shè)備箱結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用[J].機械設(shè)計，2018（5）：71-76.

（編輯 傅金睿）