摘要：隨著我國電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于電子設(shè)備的性能、功率以及能耗等方面的要求也越來越高。其中，大功率器件作為電子設(shè)備的重要組成部分，其整體性能不僅會直接影響到電子設(shè)備運行的穩(wěn)定性與可靠性，同時也會在一定程度上影響到大功率電子設(shè)備的散熱性能與實際能耗。但由于傳統(tǒng)的殼體散熱無法滿足大功率電子設(shè)備的散熱需求，因此就需要對其熱設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新?；诖耍疚恼轮饕槍Υ蠊β孰娮釉O(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計展開了深入的分析與探究。

　　關(guān)鍵詞：大功率;電子設(shè)備;結(jié)構(gòu)熱;設(shè)計探析

　　在當(dāng)前社會背景下，大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計越來越重要的。這主要是因為功率器件是大部分電子設(shè)備的核心器件，其工作狀態(tài)會直接影響電子設(shè)備整體運行的可靠性。特別是對于功率較大的器件來說，由于其在實際運行過程中的發(fā)熱量較大，因此若僅依靠封裝外殼是無法滿足其具體的散熱需求的。在這種情況，相關(guān)工作人員就需要采用更為科學(xué)、合理的散熱與冷卻方法，設(shè)計出一種更為高效的散熱系統(tǒng)，以此來將電子元器件的溫度控制在正常的范圍之內(nèi)，并且在熱源與外部環(huán)境間預(yù)留出一條低熱阻通道，以此來保證熱量可以及時的散發(fā)出去。

　　1案例分析

　　本文章以某工程大功率功放設(shè)備為例，要求其在溫度為55℃以下的環(huán)境中工作。同時，依據(jù)相關(guān)指標(biāo)要求，要將此設(shè)備設(shè)計成鋁合金鈑金機(jī)箱。但受到空間的顯示，機(jī)箱尺寸設(shè)定為W×D×H=420mm×425mm×173mm。該機(jī)箱的元件主要包括如下幾種：(1)功放模塊1個，其耗散熱為600W，確保其穩(wěn)定運行的基座溫度，最高不可超過87℃;(2)自帶散熱齒電源模塊1個，自帶散熱齒，其耗散熱為100W，確保該電源模塊可靠工作的溫度最高不可超過85℃;(3)隔離器、濾波器以及衰減器各1個，確保這些元件正常工作的溫度均為80℃;另外還包括多個接插件。

　　2大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計的要求和準(zhǔn)則

　　2.1熱設(shè)計要求

　　第一，要保證熱設(shè)計在規(guī)定好的溫度范圍內(nèi)運行;第二，確保熱設(shè)計中的環(huán)境均處于設(shè)備預(yù)設(shè)的環(huán)境內(nèi);第三，熱設(shè)計要保持在冷卻系統(tǒng)的溫度范圍內(nèi);第四，熱設(shè)計要滿足我國相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　2.2熱設(shè)計準(zhǔn)則

　　(1)要根據(jù)散熱量的多少來對設(shè)備溫度進(jìn)行有效的控制;(2)選擇恰當(dāng)?shù)臒醾鬟f形式。在正常情況下，熱傳遞要滿足設(shè)備對熱量的實際需求。在中等發(fā)熱過程中，多數(shù)情況下應(yīng)該選擇對流冷卻形式，借助傳導(dǎo)與對流等方法來實現(xiàn)冷卻的目的，且不需要另外增設(shè)其他設(shè)備來完成冷卻工作[1];(3)在熱設(shè)計中，要高度重視設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，例如溫度、熱阻及能耗等。其中，溫度參數(shù)的設(shè)置最為重要;(4)冷卻裝置的設(shè)計要簡潔高效，并且可以適應(yīng)設(shè)備工作環(huán)境。(5)要重視設(shè)備而定大小、功耗、電路布置以及實際操作環(huán)境等多種因素，并在熱設(shè)計中進(jìn)行綜合的考慮;(6)熱設(shè)計活動不可以單獨開展，而是應(yīng)該與機(jī)械設(shè)計同時進(jìn)行，以便設(shè)計人員對相關(guān)因素進(jìn)行綜合的考量。

　　3結(jié)構(gòu)熱設(shè)計分析

　　2.1選擇合理的冷卻方法

　　在對大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)實施熱設(shè)計時，首先要根據(jù)電子設(shè)備的實際情況選擇出最佳的冷卻方法。而冷卻方法的選擇與確定需要參考如下幾個因素，例如熱流密度、可靠性要求、溫升要求、設(shè)備尺寸、重量意義其經(jīng)濟(jì)性與安全性，同時這也是選擇冷卻方案最為簡便、有效的方法。假設(shè)某電子設(shè)備的總熱耗為700W，要想將其安裝在規(guī)格為420mm×425mm×173mm的機(jī)箱里，熱流密度為0.1078W/cm2，將其溫升控制在25～32℃，工作人員就應(yīng)該選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。這主要是因為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱可以更加穩(wěn)定的運行，維修保養(yǎng)工作也相對較為簡單，且整體投入成本也相對較低，因此屬于一種應(yīng)用效果較為良好的冷卻方法，可以在電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用[2]，同時也是大功率器件所采用的主要冷卻方法。

　　2.2熱設(shè)計步驟

　　由于自身攜帶散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計較為復(fù)雜，因此就要按照如下步驟來完成熱設(shè)計。首先，要對設(shè)備的結(jié)構(gòu)、成本、風(fēng)壓以及散熱效率等多種因素進(jìn)行綜合的考慮，應(yīng)用Icepak軟件仿真結(jié)果，合理設(shè)置散熱器結(jié)構(gòu)的各項參數(shù);其次，要根據(jù)發(fā)熱量，結(jié)合熱平衡方程來選擇風(fēng)機(jī);再次，要利用風(fēng)機(jī)與設(shè)計十分合理的風(fēng)道來實現(xiàn)對整機(jī)結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計;最后，要借助Icepak軟件來進(jìn)行熱設(shè)計仿真，若最終選擇的元器件溫度超過了規(guī)定值，就要重新調(diào)整散熱器結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，重新選擇風(fēng)機(jī)，并重復(fù)上述步驟，直至最后熱設(shè)計方案可以將機(jī)箱內(nèi)的器件溫度都控制在允許值以下，以此來實現(xiàn)，散熱系統(tǒng)的最優(yōu)化。

　　2.3建模

　　由于電源模塊與功放模塊為此設(shè)備的主要發(fā)熱模塊為，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，就要充分考慮隔離熱量與電磁屏蔽熱量，并在基礎(chǔ)上將元器件分為上下2層安裝在機(jī)箱內(nèi)。其中，電源模塊要安裝在機(jī)箱下層緊挨機(jī)箱底壁位置處，而功放模塊、散熱器及其他模塊則應(yīng)該安裝在機(jī)箱上層，上下層中間要使用厚度為2mm的隔板隔開，避免電源模塊對其他模塊產(chǎn)生不必要的電磁干擾，同時也不會讓電源模塊與功放模塊的熱量產(chǎn)生相互之間的影響[3]。除此之外，要在散熱器基板上合理安裝功放模塊、隔離器、濾波器以及其他模塊。其中，由于隔離器、衰減器以及濾波器的發(fā)熱量較小，且耐熱性較差，因此就要將其安裝在冷卻氣流的入口處;而由于功放模塊的發(fā)熱量相對較大，因此就要將其安裝在冷卻氣流的下游。這種散熱設(shè)計主要適用于電源模塊與功放模塊的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計當(dāng)中。

　　2.4散熱器設(shè)計

　　在設(shè)計散熱器時，首先要對電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)、成本、散熱效率、風(fēng)壓以及工藝等要求進(jìn)行全面的考慮。其次，在選擇散熱器肋片時，盡量以薄為宜，但也不可過薄，以免增加加工難度。同時，當(dāng)確定散熱器外形尺寸后，肋片之間的距離越小，其熱阻也就越小，但若間距過小則會在一定程度上增加風(fēng)阻，影響到散熱效率。另外，隨著肋片高度的增加，其散熱面積也會隨之增加，而此時的散熱量也會隨之增大。其中需要注意的是，針對等截面直肋，當(dāng)其肋片高度達(dá)到一定程度后，其傳熱量就會停止增加。在這種情況下，若要進(jìn)一步增加肋高，就會大大降低肋片效率，甚至?xí)龃箫L(fēng)阻。

　　通過綜合的考慮，本次設(shè)計方案決定選用翅片長度為300mm的鋁材散熱器，。同時，考慮到發(fā)熱模塊主要是功放模塊，其他模塊的發(fā)熱較少，因此就可忽略不計，進(jìn)而確定將散熱器的肋高設(shè)計為不等高。除此之外，要借助Icepak軟件的trials功能，將肋片厚度、高度以及肋間距等一系列參數(shù)設(shè)為變量[4]，再利用define trials為這些變量賦上相應(yīng)的值，并使用Icepak同時計算出厚度、肋間距、肋高為不同值時，各模型的求解結(jié)果。最后，通過不同求解結(jié)果的對比可以確定，當(dāng)功放模塊肋高為50mm，其余模塊肋高為20mm，肋間距為6mm肋厚為2mm時，該設(shè)備結(jié)構(gòu)可以為最優(yōu)。

　　結(jié)束語

　　綜上所述，在節(jié)能降耗背景下，要想進(jìn)一步提升大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計水平，就要對電子元器件以及設(shè)備的傳熱方式進(jìn)行科學(xué)的分析，對電子元器件的熱環(huán)境等相關(guān)因素進(jìn)行綜合的分析。與此同時，相關(guān)工作人員也要對總熱阻、熱流與熱沉分配、電感以及電容等各項參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，以此來確定出最佳的冷卻方案，優(yōu)化大功率電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)，促進(jìn)我國電子經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]鄧少文.大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計研究[J].電子測試，2018，(12)：20-21.

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　　[3]劉斌，牟長軍，王立，等.某電子設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計[J].電子機(jī)械工程，2020，36(1)：34-37，41.

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