某大功率功放的热设计.doc

某大功率功放的热设计 李伟春 梁亚冲 (广州海格通信有限公司，广东 广州510656) 摘 要：介绍了某新型大功率功放的热设计方案。由于采用热管与冷板相结合的冷却方案，大大提高了该功放的散热效果。该方案的可行性已得到了初步的试验验证。 关键词：热设计；热管；冷板 1 引言 功率器件在其工作时，将产生一定的热耗散并传至周围环境，使其温度升高，从而影响到设备的可靠性。实际上，大部分电子设备的失效都是由温度升高引起的。所以，电子设备中冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值之下，在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道，以确保热量能够顺利地散发出去。2 问题的提出 我公司某1kW功放要求体积418mm450mm162mm，采用8个Motorola的SD2933大功率场效应管。每个SD2933大功率场效应管的最大功耗接近300W，热流密度达50W/cm2（注：每个SD2933大功率场效应管表面积约6cm2）。该功放要求在环境温度55下工作，每个功率管最大功耗为300W时，其管壳最高温度不超过85。3 方案的实施3.1 课题的热设计思路 A)将高达50W/cm2的热流密度进行快速和大面积的扩散，传到散热器上； B)该散热器散热面积必须足够大，但体积必须足够小； C)利用风机和设计合理的风道对整机进行热设计。 基于以上思路，方案将SD2933大功率场效应管耗散的热量经由低热阻的热管均布地传至铝制冷板，再用三台风机进行强制抽风冷却（方案布置见图1所示）。其中，热管的热阻值接近0.005/W。冷板体积414mm330mm65mm（见图3），直流轴流风机尺寸为120mm120mm32mm，其体积流量为100 CFM，数量3个，气流分布较均匀。3.2 关键技术3.2.1 减少管壳-热管和热管-冷板接触热阻 为便于安装和接触，热管制造成扁平的形式，并保证其接触面要足够平（见图2）。 通常材料表面即不平也不光滑, 当在显微镜下观察时，会发现两个连接面处被空气间隙隔开而成为点对点接触，据估计整个材料接触面积只有1%5%，而空气的导热率只有0.026W/(mK)，非常小，它与铜的390W/(mK)形成了鲜明的对比。因此，多数界面具有很高的气流阻尼。接触热阻大大影响了热流通道，处理得好与否，决定了热设计的成败。减少热管、冷板的表面加工粗糙度，接触面涂覆薄层高导热率导热脂，SD2933大功率场效应管-热管和热管-冷板之间要增加适当的压力均可改善管壳-热管和热管-冷板的接触热阻。3.2.2 减少冷板热阻 利用合理的工艺（如真空钎焊）可以有效增大传热面积而减小体积，甚至可以实现低雷诺数流体流动而选用转速低的风机来实现整机低噪音要求。该功放用的冷板由某企业专业制造，其结构见图3。 冷板因为空间较为紧凑，尘埃等杂物难以清理。所以在恶劣环境中的应用特别要注意加防尘措施。3.2.3 整机的风道设计 为保证功放整机有足够的流动的气体和保证其电磁兼容性，一般地通风孔3。整机的风道及气体流动路径如图4所示。4 测试和结论 该功放样机于2002年1月，在环境温度55时进行测试，测得大功率场效应管壳体最高温度为80.5，满足课题要求。该功放样机自测试后使用至今良好，从未出现由发热而引起的可靠性问题。 由此，我们可以看出，采用热管与冷板的组合冷却方案，可以解决电子设备大功率器件冷却中的棘手问题，而且还可以大大的减小其体积，实现电子设备小型化的目的。参考文献