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一种3G移动通信基站的热设计仿真及结构优化 Thermal Modeling and Structure Optimization of a 3G Mobile Communication Base Station 李明东 Li Mingdong 顾海洲 Gu Haizhou 摘要：针对3G移动通信设备中热耗高导致设备可靠性降低的问题，用电子热仿真软件对某型号基站进行了整机建模和数值仿真。通过对仿真结果的分析，对机柜整体结构和各功能模块在机柜中的空间位置进行了调整。改进后结构的仿真结果表明，改进措施大大提高了整机散热效率，提高了热设计的可靠性。 关键词：3G移动通信 电子热设计 数值仿真 结构优化 研究表明，电子设备和电子器件失效70%以上是由过热引起的。热设计技术，包括散热方法、散热设备、散热器件和导热材料的开发和选取成为各制造商提高电信设备可靠性的关键技术。 　　功能多、功能强、功率大、工作频率高、体积小是3G移动通信的特点，也是现代集成电路和电子通信设备的发展趋势。功率大，热耗高；体积小，热交换面积少；从电磁屏蔽的角度考虑，电子设备工作频率高要求机柜表面允许开孔尺寸小，导致通风面积减小。3G移动通信设备的上述特点大大提高了热设计的难度。 　　如果在产品投入批量生产，特别是进入市场后才发现热设计隐患，损失将很大。采用试验验证热设计的可靠性是一种传统的方法，但这种方法只能在样机完成后才能进行，而且人力、物力、时间投入也比较大。研究表明，在电子设备生命周期的方案、中试、批量三个不同阶段，对产品改动需投入的资金比为：1：1000：10000。如何在保证产品上市时间和合理成本的前提下优化产品方案设计，关系到产品在市场上的生存和发展，也是产品研发人员的首要任务之一。 　　利用数值仿真软件对电子设备整机、模块直至器件进行温度场、速度场、压力场的仿真，据此确定电子设备和电子器件的工作环境，优化电子设备结构，是目前比较流行的一种方法。本文用一种基于CFD（Compute Fluid Dynamics，计算流体力学）的电子热仿真软件Flotherm，对一种3G移动通信机柜进行了建模和仿真、分析，提出了结构优化措施，验证了优化措施的合理性。 　　一、 整机建模 　　图1为整机仿真模型的侧视图，座标Z值较小处为机柜前门，Z值较大处为机柜后门。 　　机架满配置，共四层单板。1#、2#单板插箱共用1#风机插箱，底部进风，顶部出风后，通过机柜中部的导流板排到机柜后部；3#、4#单板插箱共用2#风机插箱，通过机柜中部的导流板将机柜前门的进风导入3#单板插箱底部，机柜顶部出风。两个风机插箱相同，前后两排共7只风机。 　　为了减小系统规模和计算量，提高计算速度，在整机仿真允许的范围内，对模型做了简化。对体积和功率都很小的芯片在PCB板上作了均布处理，对风机特性曲线做了线性简化。机柜环境温度为40℃。 图1整机仿真模型侧视图 　　二、 仿真结果、分析结论与改进意见 　　仿真得到机柜内温度、压力、空气流速及风机工作状况的可视化结果。 　　图2为机柜内温度云图。 　　仿真结果1：上面两层单板插箱和下面两层单板插箱的进、出风口温差都没有超过15℃，但单板上芯片的温度普遍较高，个别器件温度过高，下面两层尤为突出。图中十字处元件温度为机柜内最高，达133℃。分析结论：风机风量可以满足整机散热要求，个别器件由于热耗较高，体积较小，热流密度较大，散热条件比较差。改进意见：在热流密度较大的个别器件表面安装散热器。 　　仿真结果2：机柜内最热点发生在下面两层插箱中。分析结论：下面两层单板插箱的散热条件没有上面两层好，1#风机插箱上下预留空间太小，进、出风受阻。改进意见：增加1#风机插箱上下预留空间。 图2温度云图 图3 压力云图 图4 速度矢量图 　　仿真结果3：后门顶部空腔内空气不流通，有积温。分析结论：后门开孔位置过低，上部空气无法形成正常对流。改进意见：后门顶部开孔，或将目前后门上的开孔上移。 　　图3为机柜内压力云图。 　　仿真结果1：机柜内最高压力点发生在1#风机插箱顶部的前边（十字所示），该点压力明显比机柜内其它部分高出许多。下面两层单板插箱的负压值比上面两层单板插箱的负压值要小得多。分析结论：下面两层单板插箱的通风条件没有上面两层好，1#风机插箱特别是前边一排风机顶部预留空间太小，出风受阻。改进意见：增加1#风机插箱特别是前边一排风机顶部预留空间。 　　图4为机柜内空气的速度矢量图。 　　仿真结果1：上面单板两层插箱，前面风速较小，后面风速较大。分析结论：进风口在3#单板插箱底部，为水平进风，进风方向和插箱前面部分夹角比较大。改进意见：单板上高热耗器件尽量靠后（靠背板方向）布置，暴露在强风下。 　　仿真结果2：下面两层插箱出风口和