引言
通信、電力系統(tǒng)設(shè)備很多采用19英寸標(biāo)準(zhǔn)機箱,內(nèi)部模塊采用插件型式,方便生產(chǎn)調(diào)試及維護。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備集成度越來越高,電子設(shè)備單位體積的功耗不斷增大,導(dǎo)致電子設(shè)備的溫度迅速上升。為解決設(shè)備發(fā)熱問題,機箱上、下蓋板開孔,利用空氣對流帶走設(shè)備內(nèi)部熱量,保證設(shè)備內(nèi)部元件可靠運行,這是最常用的解決發(fā)熱問題方法。但機箱開孔也帶來了一些其他問題,如內(nèi)部元器件灰塵集聚、機箱電磁屏蔽效能降低等。
1設(shè)備散熱方式
溫度與元器件失效率之間是指數(shù)規(guī)律,隨溫度升高,失效率迅速增加。單個半導(dǎo)體元件的溫度升高10℃,設(shè)備的可靠性降低50%。另據(jù)統(tǒng)計,電子設(shè)備的運行故障55%以上是由溫度超過規(guī)定值引起的。電子設(shè)備熱設(shè)計是設(shè)備可靠性設(shè)計的一項重要技術(shù)。
基于熱量傳遞的三種方式一傳導(dǎo)、對流、輻射,設(shè)備常用散熱方式有自然對流散熱、強制對流散熱、液冷散熱等。其中設(shè)備開通風(fēng)孔,發(fā)熱元件的熱量可以直接通過空氣流動傳遞至設(shè)備外部,散熱效率高、散熱系統(tǒng)成本低。由于電子元件接觸外部空氣,水汽、灰塵、霉菌等對元件造成傷害的風(fēng)險增大,因此采用開孔結(jié)構(gòu)的裝置對運行環(huán)境要求高。設(shè)備采用全封閉結(jié)構(gòu),發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量需采用傳導(dǎo)方式(或增加流體冷卻系統(tǒng))傳遞到設(shè)備外殼或外部散熱附件,再通過裝置外部空氣流動將熱量傳遞出去。這種全封閉設(shè)備散熱路徑長、散熱效率低、散熱系統(tǒng)成本高。全封閉結(jié)構(gòu)提供了相對優(yōu)質(zhì)的內(nèi)部環(huán)境,廣泛應(yīng)用于低功率、長壽命、高可靠性要求的工業(yè)設(shè)備。
設(shè)備散熱方式選擇主要是由設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱元件熱耗散功率以及元件長期穩(wěn)定運行溫度決定的,可以通過熱設(shè)計輔助軟件(ICPEAK或FLoTHERM等)對設(shè)備進行建模、計算及設(shè)計優(yōu)化。
2散熱模塊結(jié)構(gòu)
針對全封閉機箱,本文將介紹一種將散熱組件集成在模塊上的設(shè)計方法。圖1所示為PCB板安裝結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)計散熱翅片、導(dǎo)熱基板一體化的插件面板型材,在型材面板上固定PCB1和PCB2。PCB1上布置發(fā)熱元件,發(fā)熱元件通過導(dǎo)熱膜緊貼于型材面板。PCB2上布置風(fēng)扇連接器、控制電路以及其他設(shè)備功能電路。PCB1和PCB2之間采用板間連接器實現(xiàn)電路互聯(lián)。
圖1 PCB板安裝結(jié)構(gòu)示意圖
圖2所示為散熱組件熱量傳遞示意圖,圖示箭頭方向,展示了發(fā)熱元件熱量傳遞的路徑:發(fā)熱元件二導(dǎo)熱板二插件外面板上散熱翅片二外部空氣。具體實現(xiàn)方法:用導(dǎo)熱膜將插件上的發(fā)熱元件貼緊導(dǎo)熱板,將發(fā)熱元件熱量傳遞給導(dǎo)熱板:導(dǎo)熱板上嵌入若干熱管,熱管在嵌入方向上有很強的導(dǎo)熱能力,將發(fā)熱元件產(chǎn)生熱量大部分快速傳遞至插件外面板:在插件外面板的翅片內(nèi)嵌入風(fēng)扇,用強制風(fēng)冷方式,將插件外面板上的熱量散發(fā)到外部空氣中。
圖2 散熱組件熱量傳遞示意圖
圖3所示為風(fēng)扇控制原理框圖。風(fēng)扇控制接口與風(fēng)扇驅(qū)動模塊采用數(shù)字接口連接,根據(jù)環(huán)境溫度的實際情況,設(shè)定相應(yīng)的風(fēng)扇驅(qū)動電源電壓,從而達到需要的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。同時,風(fēng)扇驅(qū)動模塊的電壓和電流值也可通過數(shù)字接口傳送給風(fēng)扇控制接口。該方法實現(xiàn)了風(fēng)扇的閉環(huán)控制、靈活調(diào)節(jié),延長了風(fēng)扇的使用壽命。
3散熱模塊翅片效果對比測試
為了驗證散熱模塊翅片的效果,制定以下對比測試:在恒溫40℃的情況下,散熱模塊拆掉散熱風(fēng)扇,在散熱模塊上選取6個測溫點,分別對帶翅片散熱模塊和不帶翅片散熱模塊進行測溫。測量數(shù)據(jù)如表1、表2所示。
如圖4所示,散熱模塊帶翅片的散熱效果明顯優(yōu)于不帶散熱翅片的散熱效果,其中發(fā)熱元件位置溫差在5℃左右(3、4號傳感器)。說明熱管將發(fā)熱元件的熱量有效傳遞到了散熱元件外表面,增加外部翅片可以明顯降低發(fā)熱元件表面溫度。
4結(jié)語
由于模塊尺寸有限,插件面板上翅片、風(fēng)扇尺寸都受到很大限制,這種全封閉機箱散熱方法適合小功率設(shè)備。電力系統(tǒng)設(shè)備對產(chǎn)品的壽命和可靠性要求高,機箱多采用全封閉結(jié)構(gòu)形式。本文所述在模塊上附加散熱組件的設(shè)計方法已經(jīng)有工程應(yīng)用,目前工程應(yīng)用中發(fā)熱元件耗散功率小,沒有配置風(fēng)扇,有裝置在現(xiàn)場已連續(xù)運行超過3年。
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