通信设备的热设计

通信设备的热设计

李宏坚张磊

陕西烽火电子股份有限公司陕西宝鸡721006

摘要：本文从单元板热设计和风冷散热，两方面，介绍了通信设备的常用热设计方法。

关键词：热设计、单板热设计、散热器、风扇冷却

通信设备的热设计属于产品可靠性设计的一种，其目的在于采用适当可靠的方法控制产品内部电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。

一、热量传递的方式

热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现，在进行产品热设计时，一般会根绝热量的不同传递方式，采取不同的散热增强方式。

二、单板热设计

为保证单板上元器件的安全散热，首先需要根据设备的最高工作环境，设备内部的温升，合理选择元器件，元器件的工作温度范围一般可以通过数据手册查询得到。

元器件进行热量传播时，热量从热源出发通过热传导传至器件外壳，热量在外壳处以辐射方式传向空气、对流方式传向空气、以传导方式传向附加散热器或通过管脚传向PCB板等三种方式继续向外传播，热量在散热器或PCB板处以辐射和对流方式传向空气，传入空气的热量在机箱内以自然或强迫对流方式传出机箱外，完成散热的历程。

针对元器件的热量传播方式，可以采取以下措施：

1、增加有效散热面积，如在芯片表面安装散热器、将热量通过引线或导热绝缘材料导到PCB板中、利用周围PCB板的表面散热等措施。PCB的各层信号层、地层和电源层都铺有大面积的铜，综合的导热系数比较高，整个PCB板就像是一块大的平板散热器，具有热量均匀化的作用。所以应尽量减小结至板的热阻，如BGA封装有大量钢珠直接和板接触，热阻比QFP的封装方式小。

对于功耗大的发热器件，应尽量减小导热接口的接触热阻，将器件表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触，则热阻将大大降低，减小温升，如将功放管的金属安装底座直接安装在设备机壳上。

元器件安装散热器后，主要散热路径是将热量由壳体传导给散热器，由散热器通过对流的方式与冷却空气换热。在散热器选型设计时，可以先忽略通过与PCB板的接触传导的热量，这本身将给设计留有一个裕度，散热器选用和安装应遵循以下原则：

（1）散热器与元器件接触的安装平面应光滑平整，以使与元器件有良好的紧密接触。必要时在结合面间可加导热胶、导热脂、导热垫等，以消除间隙对传热的不良影响。

（2）散热器配置应便于机柜内换热空气的流通，减缓对空气的过大阻碍，使机柜内换热空气的流通比较均匀，但重点散热元器件处应有较大的流速。靠自然对流换热时，散热肋片长度方向取垂直于地面方向；靠强迫空气散热时，应取与气流方向相同的方向。

（3）在空气流通方向上，不宜纵向近距离排列多个散热器，因为上游的散热器将气流分开，下游的散热器表面风速将很低。应交错排列，或将散热翅片间隔错位。

（4）散热器与同一块电路板上的其它元器件应有适宜的距离。

2、单板上元器件的布局应根据各组件的参数和使用要求综合确定，应考虑是否有足够的自然对流空间，以利于空气流动，增强对流换热。实际各种元器件布在单板上时相互间散热会有一定影响，例如几个大功率的芯片布置在较近的距离散热会比较恶劣，实际温升会比计算值高，因此在进行印制板元器件布局时，应将不耐热的组件放在靠近进风口的位置，而且位于功率大、发热量大的元器件的上游，尽量远离高温组件，以避免辐射的影响，如果无法远离，也可以用热屏蔽板（抛光的金属薄板，黑度越小越好）隔开；将本身发热而又耐热的组件放在靠近出风口的位置或顶部；一般应将热流密度高的元器件放在边沿与顶部，靠近出风口的位置，但如果不能承受较高温度，也要放在进风口附近，注意尽量与其它发热组件和热敏组件在空气上升方向上错开位置；大功率的元器件尽量分散布局，避免热源集中；不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列，使风阻均布，风量分布均匀。竖直放置的电路板上的组件与相邻单板之间的间隙至少为19mm。进出风口应尽量远离，避免气流短路，通风口尽量对准散热要求高的组件。

三、风扇冷却的设计

当自然对流方式无法满足产品的热设计要求时，则需要采用强制对流热交换的方式进行散热，常用的强制对流对流方式一般为风扇冷却，采用风扇冷却时需要注意以下几点：

1、风道的设计

强迫风冷中风道的设计非常重要，一般应遵循以下基本原则：尽量采用直通风道，避免气流的转弯；在气流急剧转弯的地方，应采用导风板使气流逐渐转向，使压力损失达到最小；尽量避免骤然扩展和骤然收缩；进出风口尽量远离，防止气流短路；在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔，防止气流短路；为避免上游插框的热量带入下游插框，影响其散热，可以采用独立风道，分开散热；风道设计应保证插框单板或模块散热均匀，避免在回流区和低速区产生热点；对于并联风道应根据各风道散热量的要求分配风量,避免风道阻力不合理布局要避免风道的高低压区的短路

2、送风方式选择

风扇的送风方式分为吹风和抽风两种，它们各有优缺点，需要根据具体情况选择。

（1）吹风的优缺点

a.风扇出口附近气流主要为紊流流动，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中的情况，此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热组件。

c.风扇将不会受到系统散热量的影响，工作在在较低的空气温度下，风扇寿命较长。

d.由于吹风有一定方向性，对整个插框横截面上的送风量会不均匀。

e.在风扇HUB附近和并联风扇之间的位置有部分回流和低速区，换热较差，最好将风扇与插框保持50mm以上的间距，使送风均匀化。

（2）抽风的优缺点

a.送风均匀，适用于发热器件分布比较均匀，风道比较复杂的情况。

b.进入风扇的流动主要为层流状态。

c.风扇将在出风口高温气流下工作，寿命会受影响。

d.机柜内形成负压，缝隙中的灰尘将进入机柜/箱。

军用通信设备工作环境恶劣，其贮存温度和工作温度上限都很高，良好的散热设计是保证产品可靠性的重要手段，必须在产品设计时充分考虑散热的需求。

参考文献

[1]电子设备热设计，赵惇殳著，电子工业出版社，2009.

[2]电子设备热设计速查手册，王健石、朱东霞著，电子工业出版社，2008.