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摘 要：功放的设计中有很多问题需要进行思考和探究，文章以热设计为研究的主要内容。阐述了该功放单元以热设计为核心结构设计思路，散热器完成了某功放单元整体结构与散热一体化设计，同时使设计的单元结构满足标准设备上架要求。
关键词：电子；结构；设计；功放
中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0028-02
1 概 述
伴随着电子技术的广泛应用与发挥在那，测控、通信、雷达其工作频率逐渐发展至毫米波频段，位于发射链路末端的功放单元是发射链路中的核心设备，根据系统的测控精度、通信质量、作用半径各个方面有决定性影响。固态功放单元是由数个功放模块组成的，结合数个模块的合成输出大的功率。功放模块是功率模块，它拥有功率大、功耗大、体积小、工作电压高这些特点，功放模块的散热不仅仅是功放设备散热的核心要点。需要选择合理的散热和冷却方法，设计行之有效的散热系统，充分的把电子元器件的温度定在在规定的数值下面，因此对结构设计有着较高的要求。可有效的提高设备的可靠性，加快研制周期，在设计中采用计算机辅助设计，已经重要发展趋势。
大功率设备的结构与散热设计比较复杂，相关文献主要注重散热问题的解决[1-2]，忽略设备的整体一体化设计。这篇文章以热设计为核心，应用强迫风冷散热器达到了某功放单元设计整体结构与散热一体化设计，功放单元结构紧凑、体积小、重量轻满足标准设备上架要求。
2 电子产品散热方式
目前电子设备的散热方式主要包括自然对流散热、强迫风冷散热、液冷散热、热管散热、微通道散热、热电制冷等。有时减小接触热阻也能起到事半功倍的效果。自然对流散热的散热能力有限；液冷的散热效果比较显著，但散热系统复杂，成本较高；强迫风冷散热可满足热流密度在0.08～0.3 W/cm2的电子设备的散热需求，且具有工作可靠、易于维修保养、成本相对较低的优点，在电子设备冷却系统中被广泛采用。热设计时应根据热流密度和应用环境选择一种或几种较成熟的散热方式，并统筹考虑成本及可靠性等因素。这些要求都与功放的散热设计相矛盾。[3]
3 热设计仿真设计
对电子设备进行热场分布的分析和研究，是电子产品设计过程中的一个重要的环节。在实际的操作中，设计人员要根据热的传播方式和产生机理，采用科学合理的热设计方法，只有这样，才能保证电子设备在规定的温度范围内正常的运行。目前为止，应用比较广泛的电子冷却软件有Icepak和Flotherm，通过它们可以把电子产品的热效应分析放在产品的设计阶段，从而解决了优化电子系统自然对流和强迫对流方案以及优化电子系统内部结构设计参数的问题。与Flotherm相比，Icepak具有以下几个特点：
①采用FLUENT5的结算方法和非结构化网络技术，采 用TVD等高分辨率格式，保证了计算的精度。
②采用非结构化的网格，把比较复杂的几何外形转化为三维的六面体或四面体的非结构化网格结构，从而满足了现代电子产品设计中几何图形越来越复杂的需求。
③它可以为电子产品的设计提供丰富的物理模型，通过物理模型可以模拟稳态、非稳态、湍流、层流、热辐射、热传导、混合对流、强迫对流、自然对流等现象。
最近几年，又出现了新一代的热设计仿真软件ICEPAK，它以有限体积法作为求解器，可以模拟真实的流速场、压力场、温度场，从而帮助设计师提高设计水平、优化设计方案、缩短项目研制周期、降低成本，在流体流动为重点的设计中，它更能发挥出有限体积法的便捷和优势。[4]
4 物理模型设计结构
该功放单元中的热流密度相对较大，主要热源为功放模块与电源模块。各个功放模块的热耗约为300 W，6个共1 800 W；另外加6个上功放电源的热耗600 W，整个设备发热量共
2 400 W。
考虑到设备的真正的使用环境、加工制造成本及其维护性各方面的因素，结合功放模块热流密度计算分析，将散热方案定为自动风冷方式。自动风冷换热系数是自然冷却的数倍，而且有维修性好，成本低等优点、同时为了提高散热器的散热效率，选择了散热面积较普通，散热器高多倍的结合式插片散热器。
经计算，流经功放模块的热流密度为0.69 W/cm2，依据文献[3]热流密度小于0.3 W/cm。可采取直接强迫風冷，需要安装与之相适应的散热器，通过采用散热器增大散热面积，以满足强迫风冷的要求。
散热器A（齿高76 mm，厚1.2 mm，间距6.5 mm）上下表面安装功放模块；散热器B（齿高38mm，厚1.2mm，间距6.5 mm）表面安装电源模块，并依据散热器B的结构尺寸确定电源模块的结构形式与尺寸。
通过采用4个风机（最大流量：6.6CMM）并联对设备进行抽风冷却，并且将发热较大的部件置于散热器中央，另外为了提高散热效果，尽量增大穿过散热器肋片间的空气流量和流速，因此将机箱内散热齿以外的空余部分多用挡风板挡住，使冷却空气尽量通过散热器肋间；散热器本身是功放模块、电源、合成器、分路器的结构载体，同时又是散热的途径，如图1。
5 冷却系统的计算机辅助分析与仿真
传统的设计通常按照经验公式估算设备的温度，同时需要考虑风道阻力、风机曲线等因素，并且该估算的方法误差较大，不能准确计算设备的温度分布，经验公式得到的数据仅供参考。由于上述功放单元装配关系比较复杂，借助传统的经验公式进行计算分析，其结果势必具有更多地偏差。采用CFD热仿真软件Icepak对该功放单元的散热结构方案进行仿真计算，该软件具有先进的网格生成技术，包括自动化的非结构化网格生产能力，支持四面体、六面体以及混合网格，强大的网格检查功能，并可利用非结构化网格灵活地完成网格划分。考虑到模型的对称性与相似性以及计算的经济性，对结构模型进行简化并对其六分之一建模。 根据设备工作条件为室内环境，设定温度为30 ℃，压力为1个标准大气压，空气设定为不可压缩流体；由于电子设备为强迫空气冷却，可忽略辐射换热的影响，[5-7]热量传递的方式为导热和强迫对流；重力方向可以不考虑；采用稳态传热计算；依据雷诺数值，采用流体的流动状态为紊流。补充数值计算所需的其他边界条件、初始条件、收敛判据后，生成可供软件直接调用的分析模型。仿真结果如图2所示，功功放模塊的表面温度为49.9 ℃，电源模块由于发热量小，表面温度只有42 ℃，通过观察发现前端（进气端）温度稍低于后端，分析是由进气端空气温度低引起的；通过观察发现散热器A内部的空气流速不均匀，风扇大约为2.2 m/s，如图3。分析原因是由于风道过长，风阻较大引起，散热器B内部风速较均匀，风速较大为3.3 m/s。
6 实际样机测试
该功放单元初样研制完成后，在室内温度为27.5 ℃的情况下，该功放单元开始满负荷工作大约60 min后性能趋于稳定，使该功放单元达到了热平衡。使用带温度探针的三用表与红外温度计对设备的各点温度状况进行了实际测试。
测试出口处空气温度为39.3 ℃，电源模块外壳温度比较一致为38.3 ℃，中间功放模块的外壳温度为50.3 ℃，两侧功放模块外壳温度为46.2 ℃，取6个模块的平均温度47.5 ℃，由于在室内温度为27.5℃的情况下测试，考虑到与计算及仿真结果的可比性，功放模块的温度在环境温度升高2.5 ℃的情况下外壳温度相应升高2.5 ℃，为49.5 ℃，电源模块外壳温度相应升高为40.8 ℃，同时出口空气相应升高2.5 ℃，为41.8 ℃。通过对比表1，发现设计计算、仿真分析与实际测量结果之间存在一定偏差，计算模型简化、忽略辐射、实际测量的误差是主要因素。[8-12]
7 结 语
这篇主要以设备电气指标为主要的方向，采用结构、散热、电气一体化设计，仿真探讨了了功放单元的温度分布，研制了工程样机。经过产品的使用验证，该功放单元散热效果好，设备工作性能稳定，结构紧凑，满足电气指标。
随着现代电子的发展，设备功率密度越来越高，特别是某些设备热耗占总功率的80%～85%，设备对可靠性要求进一步提高，电子设备的热设计也越来越重要。大功率电子设备的散热设计比较复杂，需要结构与散热一体化设计，可参照本文设计思路，通过计算机辅助设计仿真确定合理的散热结构方案，可以大大缩短产品的研制周期。
参考文献：
[1] 冷献春.某固态功放设备的强迫风冷散热设计[J].机械与电子，2012，02：44-47.
[2] 束峰涛.一种风冷行波管的热设计[J].电子机械工程，2005，21（6）：
15-19.
[3] 吕洪涛.电子设备散热技术探讨[J].电子机械工程，2011，27（5）：
8-12.
[4] 王丽.大功率电子设备结构热设计研究[J].无线电工程，2009，39（1）：
61-64.
[5] 景莘慧.某功放模块的强迫风冷散热设计[J].电子机械工程，2005，21
（5）：19-20.
[6] 李天虹，白超.S频段250 W室外型固态功放结构设计[J].中国科技信
息，2013（22）：132-135.
[7] 由金光，姚武生.S波段液冷固态功放组件的设计[J].电子信息对抗技
术，2011，26（3）：79-82.
[8] 李勤建，高翠琢，边国辉.微波功率放大器的热管散热设计[J].半导体 技术，2012，37（8）：658-661.
[9] 刘一兵.电子器件散热用微槽平板热管与微通道传热机理研究[D].
长沙：湖南大学，2010.
[10] 祁宁.固-固界面接触热阻的实验研究及数据库查询系统的开发[D].
南京：南京理工大学，2013.
[11] 平丽浩，钱吉裕，徐德好.电子装备热控新技术综述（上）[J].电子机械
工程，2008，24（1）：1-10.
[12] 赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009：8-11.
关键词：电子；结构；设计；功放
中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0028-02
1 概 述
伴随着电子技术的广泛应用与发挥在那，测控、通信、雷达其工作频率逐渐发展至毫米波频段，位于发射链路末端的功放单元是发射链路中的核心设备，根据系统的测控精度、通信质量、作用半径各个方面有决定性影响。固态功放单元是由数个功放模块组成的，结合数个模块的合成输出大的功率。功放模块是功率模块，它拥有功率大、功耗大、体积小、工作电压高这些特点，功放模块的散热不仅仅是功放设备散热的核心要点。需要选择合理的散热和冷却方法，设计行之有效的散热系统，充分的把电子元器件的温度定在在规定的数值下面，因此对结构设计有着较高的要求。可有效的提高设备的可靠性，加快研制周期，在设计中采用计算机辅助设计，已经重要发展趋势。
大功率设备的结构与散热设计比较复杂，相关文献主要注重散热问题的解决[1-2]，忽略设备的整体一体化设计。这篇文章以热设计为核心，应用强迫风冷散热器达到了某功放单元设计整体结构与散热一体化设计，功放单元结构紧凑、体积小、重量轻满足标准设备上架要求。
2 电子产品散热方式
目前电子设备的散热方式主要包括自然对流散热、强迫风冷散热、液冷散热、热管散热、微通道散热、热电制冷等。有时减小接触热阻也能起到事半功倍的效果。自然对流散热的散热能力有限；液冷的散热效果比较显著，但散热系统复杂，成本较高；强迫风冷散热可满足热流密度在0.08～0.3 W/cm2的电子设备的散热需求，且具有工作可靠、易于维修保养、成本相对较低的优点，在电子设备冷却系统中被广泛采用。热设计时应根据热流密度和应用环境选择一种或几种较成熟的散热方式，并统筹考虑成本及可靠性等因素。这些要求都与功放的散热设计相矛盾。[3]
3 热设计仿真设计
对电子设备进行热场分布的分析和研究，是电子产品设计过程中的一个重要的环节。在实际的操作中，设计人员要根据热的传播方式和产生机理，采用科学合理的热设计方法，只有这样，才能保证电子设备在规定的温度范围内正常的运行。目前为止，应用比较广泛的电子冷却软件有Icepak和Flotherm，通过它们可以把电子产品的热效应分析放在产品的设计阶段，从而解决了优化电子系统自然对流和强迫对流方案以及优化电子系统内部结构设计参数的问题。与Flotherm相比，Icepak具有以下几个特点：
①采用FLUENT5的结算方法和非结构化网络技术，采 用TVD等高分辨率格式，保证了计算的精度。
②采用非结构化的网格，把比较复杂的几何外形转化为三维的六面体或四面体的非结构化网格结构，从而满足了现代电子产品设计中几何图形越来越复杂的需求。
③它可以为电子产品的设计提供丰富的物理模型，通过物理模型可以模拟稳态、非稳态、湍流、层流、热辐射、热传导、混合对流、强迫对流、自然对流等现象。
最近几年，又出现了新一代的热设计仿真软件ICEPAK，它以有限体积法作为求解器，可以模拟真实的流速场、压力场、温度场，从而帮助设计师提高设计水平、优化设计方案、缩短项目研制周期、降低成本，在流体流动为重点的设计中，它更能发挥出有限体积法的便捷和优势。[4]
4 物理模型设计结构
该功放单元中的热流密度相对较大，主要热源为功放模块与电源模块。各个功放模块的热耗约为300 W，6个共1 800 W；另外加6个上功放电源的热耗600 W，整个设备发热量共
2 400 W。
考虑到设备的真正的使用环境、加工制造成本及其维护性各方面的因素，结合功放模块热流密度计算分析，将散热方案定为自动风冷方式。自动风冷换热系数是自然冷却的数倍，而且有维修性好，成本低等优点、同时为了提高散热器的散热效率，选择了散热面积较普通，散热器高多倍的结合式插片散热器。
经计算，流经功放模块的热流密度为0.69 W/cm2，依据文献[3]热流密度小于0.3 W/cm。可采取直接强迫風冷，需要安装与之相适应的散热器，通过采用散热器增大散热面积，以满足强迫风冷的要求。
散热器A（齿高76 mm，厚1.2 mm，间距6.5 mm）上下表面安装功放模块；散热器B（齿高38mm，厚1.2mm，间距6.5 mm）表面安装电源模块，并依据散热器B的结构尺寸确定电源模块的结构形式与尺寸。
通过采用4个风机（最大流量：6.6CMM）并联对设备进行抽风冷却，并且将发热较大的部件置于散热器中央，另外为了提高散热效果，尽量增大穿过散热器肋片间的空气流量和流速，因此将机箱内散热齿以外的空余部分多用挡风板挡住，使冷却空气尽量通过散热器肋间；散热器本身是功放模块、电源、合成器、分路器的结构载体，同时又是散热的途径，如图1。
5 冷却系统的计算机辅助分析与仿真
传统的设计通常按照经验公式估算设备的温度，同时需要考虑风道阻力、风机曲线等因素，并且该估算的方法误差较大，不能准确计算设备的温度分布，经验公式得到的数据仅供参考。由于上述功放单元装配关系比较复杂，借助传统的经验公式进行计算分析，其结果势必具有更多地偏差。采用CFD热仿真软件Icepak对该功放单元的散热结构方案进行仿真计算，该软件具有先进的网格生成技术，包括自动化的非结构化网格生产能力，支持四面体、六面体以及混合网格，强大的网格检查功能，并可利用非结构化网格灵活地完成网格划分。考虑到模型的对称性与相似性以及计算的经济性，对结构模型进行简化并对其六分之一建模。 根据设备工作条件为室内环境，设定温度为30 ℃，压力为1个标准大气压，空气设定为不可压缩流体；由于电子设备为强迫空气冷却，可忽略辐射换热的影响，[5-7]热量传递的方式为导热和强迫对流；重力方向可以不考虑；采用稳态传热计算；依据雷诺数值，采用流体的流动状态为紊流。补充数值计算所需的其他边界条件、初始条件、收敛判据后，生成可供软件直接调用的分析模型。仿真结果如图2所示，功功放模塊的表面温度为49.9 ℃，电源模块由于发热量小，表面温度只有42 ℃，通过观察发现前端（进气端）温度稍低于后端，分析是由进气端空气温度低引起的；通过观察发现散热器A内部的空气流速不均匀，风扇大约为2.2 m/s，如图3。分析原因是由于风道过长，风阻较大引起，散热器B内部风速较均匀，风速较大为3.3 m/s。
6 实际样机测试
该功放单元初样研制完成后，在室内温度为27.5 ℃的情况下，该功放单元开始满负荷工作大约60 min后性能趋于稳定，使该功放单元达到了热平衡。使用带温度探针的三用表与红外温度计对设备的各点温度状况进行了实际测试。
测试出口处空气温度为39.3 ℃，电源模块外壳温度比较一致为38.3 ℃，中间功放模块的外壳温度为50.3 ℃，两侧功放模块外壳温度为46.2 ℃，取6个模块的平均温度47.5 ℃，由于在室内温度为27.5℃的情况下测试，考虑到与计算及仿真结果的可比性，功放模块的温度在环境温度升高2.5 ℃的情况下外壳温度相应升高2.5 ℃，为49.5 ℃，电源模块外壳温度相应升高为40.8 ℃，同时出口空气相应升高2.5 ℃，为41.8 ℃。通过对比表1，发现设计计算、仿真分析与实际测量结果之间存在一定偏差，计算模型简化、忽略辐射、实际测量的误差是主要因素。[8-12]
7 结 语
这篇主要以设备电气指标为主要的方向，采用结构、散热、电气一体化设计，仿真探讨了了功放单元的温度分布，研制了工程样机。经过产品的使用验证，该功放单元散热效果好，设备工作性能稳定，结构紧凑，满足电气指标。
随着现代电子的发展，设备功率密度越来越高，特别是某些设备热耗占总功率的80%～85%，设备对可靠性要求进一步提高，电子设备的热设计也越来越重要。大功率电子设备的散热设计比较复杂，需要结构与散热一体化设计，可参照本文设计思路，通过计算机辅助设计仿真确定合理的散热结构方案，可以大大缩短产品的研制周期。
参考文献：
[1] 冷献春.某固态功放设备的强迫风冷散热设计[J].机械与电子，2012，02：44-47.
[2] 束峰涛.一种风冷行波管的热设计[J].电子机械工程，2005，21（6）：
15-19.
[3] 吕洪涛.电子设备散热技术探讨[J].电子机械工程，2011，27（5）：
8-12.
[4] 王丽.大功率电子设备结构热设计研究[J].无线电工程，2009，39（1）：
61-64.
[5] 景莘慧.某功放模块的强迫风冷散热设计[J].电子机械工程，2005，21
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[7] 由金光，姚武生.S波段液冷固态功放组件的设计[J].电子信息对抗技
术，2011，26（3）：79-82.
[8] 李勤建，高翠琢，边国辉.微波功率放大器的热管散热设计[J].半导体 技术，2012，37（8）：658-661.
[9] 刘一兵.电子器件散热用微槽平板热管与微通道传热机理研究[D].
长沙：湖南大学，2010.
[10] 祁宁.固-固界面接触热阻的实验研究及数据库查询系统的开发[D].
南京：南京理工大学，2013.
[11] 平丽浩，钱吉裕，徐德好.电子装备热控新技术综述（上）[J].电子机械
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[12] 赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009：8-11.