引言

通信、電力系統(tǒng)設備很多采用19英寸標準機箱,內部模塊采用插件型式,方便生產調試及維護。隨著電子技術的發(fā)展,電子設備集成度越來越高,電子設備單位體積的功耗不斷增大,導致電子設備的溫度迅速上升。為解決設備發(fā)熱問題,機箱上、下蓋板開孔,利用空氣對流帶走設備內部熱量,保證設備內部元件可靠運行,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,如內部元器件灰塵集聚、機箱電磁屏蔽效能降低等。

1設備散熱方式

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。單個半導體元件的溫度升高10℃,設備的可靠性降低50%。另據(jù)統(tǒng)計,電子設備的運行故障55%以上是由溫度超過規(guī)定值引起的。電子設備熱設計是設備可靠性設計的一項重要技術。

基于熱量傳遞的三種方式一傳導、對流、輻射,設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。其中設備開通風孔,發(fā)熱元件的熱量可以直接通過空氣流動傳遞至設備外部,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險增大,因此采用開孔結構的裝置對運行環(huán)境要求高。設備采用全封閉結構,發(fā)熱元件產生的熱量需采用傳導方式(或增加流體冷卻系統(tǒng))傳遞到設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。這種全封閉設備散熱路徑長、散熱效率低、散熱系統(tǒng)成本高。全封閉結構提供了相對優(yōu)質的內部環(huán)境,廣泛應用于低功率、長壽命、高可靠性要求的工業(yè)設備。

設備散熱方式選擇主要是由設備內部發(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,可以通過熱設計輔助軟件(ICPEAK或FLoTHERM等)對設備進行建模、計算及設計優(yōu)化。

2散熱模塊結構

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計方法。圖1所示為PCB板安裝結構示意圖。設計散熱翅片、導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)熱元件通過導熱膜緊貼于型材面板。PCB2上布置風扇連接器、控制電路以及其他設備功能電路。PCB1和PCB2之間采用板間連接器實現(xiàn)電路互聯(lián)。

圖1 PCB板安裝結構示意圖

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:用導熱膜將插件上的發(fā)熱元件貼緊導熱板,將發(fā)熱元件熱量傳遞給導熱板:導熱板上嵌入若干熱管,熱管在嵌入方向上有很強的導熱能力,將發(fā)熱元件產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嵌入風扇,用強制風冷方式,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所示為風扇控制原理框圖。風扇控制接口與風扇驅動模塊采用數(shù)字接口連接,根據(jù)環(huán)境溫度的實際情況,設定相應的風扇驅動電源電壓,從而達到需要的風扇轉速。同時,風扇驅動模塊的電壓和電流值也可通過數(shù)字接口傳送給風扇控制接口。該方法實現(xiàn)了風扇的閉環(huán)控制、靈活調節(jié),延長了風扇的使用壽命。

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結語

由于模塊尺寸有限,插件面板上翅片、風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備。電力系統(tǒng)設備對產品的壽命和可靠性要求高,機箱多采用全封閉結構形式。本文所述在模塊上附加散熱組件的設計方法已經有工程應用,目前工程應用中發(fā)熱元件耗散功率小,沒有配置風扇,有裝置在現(xiàn)場已連續(xù)運行超過3年。