基于FLOTHERM的固态功率放大器热设计.docx

基于FLOTHERM的固态功率放大器热设计 王金摘 要：文章对L波段固态功率放大器整机结构热设计进行了研究，并结合L波段固态功率放大器设计实例，最后给出了整机的仿真及实物测试结果关键词：热设计；固态功率放大器；热仿真；FLOTHERM引言固态功率放大器主要由功率放大模块、增益放大模块、合成模块、耦合模块和控制电路等组成，功率放大模块在大功率条件下工作时，器件发热量大，使器件处于高温状态下工作而高温会使元器件电性能恶化，引起失效，导致设备可靠性下降资料表明：单个半导体元件的温度升高10 ℃～12 ℃，其可靠性降低50%[1]随着器件的密集化，电子设备的功率密度增大，对热设计的需求也日益强烈1 整机结构设计主要设计指标如下：频率范围1GHz～2.5GHz，功率增益≥50dB，最大输入功率≤10dBm，最大输出功率≥50dBm，环境适应性满足GJB3947A-2009环境4级设备要求，另外还有输入端口驻波比、输出功率平坦度、1dB压缩点输出功率、3dB压缩点输出功率、噪声系数、谐波抑制等指标要求功率放大模块采用某型号功率芯片，单个芯片无论在输出功率或功率增益方面都无法达到设计要求， 因此， 本方案选用两极放大串联的方式满足功率增益的要求， 其中前级作为推动级， 末级作为功率输出级，末级使用4路放大并联的方式满足输出功率的要求，前后两个放大级中的各单管放大电路设计成完全相同的形式。

信号流图如图1所示功率放大模块中的功率芯片满载时功耗较高达到115瓦五个功率放大模块共有10个芯片，芯片总功耗高达1150瓦，并且该芯片面积小，热流密度高，散热难度很大综合整机内部信号流、模块的功能、可装配性和可维修性等，為了更好的散热，整机结构布局如图2所示散热器由上下基板和中间散热片组成，在机箱高度方向放置于机箱中部，上下基板可以贴附散热器件，可以最大限度的增加机箱散热性能电源自带散热风机，因此将电源单独放置于机箱左侧的电源仓，不仅有利于散热，更有利于屏蔽强电信号2 热设计优化2.1 风机选择机箱内部主要发热部件有5个功率放大模块（1150w）、电源（50w）和印制板50w，总功耗为1250瓦根据GJB3947A-2009环境4级设备要求，环境温度按40℃设置，排除热阻影响，空气温升设置为？驻t=10℃根据热平衡方程：Q=Cp？籽Qf？驻t（W），可计算出：Qf=Q/Cp？籽？驻t=1250/[10051.0610]=0.117（m3/s）=250.7（CFM）（1）式中，Cp为空气的比热；ρ为空气的密度；Q为整个通道的散热量；Qf为通风量；Δt为风道进出口温差本设计中选用型号为AS12012LB389B00的风机，其单个最大通风量为162.05CFM。

考虑到理论计算与实际的误差，设计总通风量应大于理论通风量，选6组风机3组向机箱内部吹风，三组抽风通风量共计486.15CFM，可满足散热要求2.2 热仿真优化根据整机结构建立FLOTHERM热仿真模型，受机箱尺寸和内部器件的限制，散热器外形尺寸是固定不变的，考虑到重量、机箱强度和安装需要，基板厚度设置为7mm，材料为铝板（6061-T651），设置散热器翅片数量和翅片厚度为输入优化变量，翅片数量范围为70-150片，翅片厚度为0.2-2.5mm，输出变量设置为功率芯片的节温和散热器的重量方案设计和仿真结果如表1所示，方案设计的响应面结果如图3所示通过RSO优化功能得出的最优方案是翅片数量79片，翅片厚度为2.5mm，然而该方案重量高达19kg，重量超出设计要求优化结果的芯片节温为93.8℃，环境温度设置为45℃，因此芯片节温温升为48.8℃为了保证功率芯片的正常工作，以及机箱内部不会有过热的危险，芯片节温温升应该控制在45℃以下因此该优化结果难以满足设计要求这说明普通风冷散热器难以满足设计要求分析主要原因为芯片面积小，热密度大，无法将芯片的热流及时传导并散出因此考虑在散热器基板上芯片底部嵌入热管，将6mm热管压扁到4mm厚度，嵌入散热器基板。

如图4所示建立热仿真模型并优化分析通过热仿真分析得出，当散热片数量为126，翅片厚度为0.7mm时，芯片节温为83.1℃，可满足散热要求，如图5所示3 实例测试结果按优化方案设计初样机，初样机工作状态良好，并做高低温试验验证，结果表明本文设计的整机结构可以满足散热要求环境温度为40℃的高温试验，整机工作30分钟以上温度稳定后，通过贴温度贴测试，芯片表面温度低于80℃，与热仿真结果83.1℃基本一致，说明该方案散热性能良好，满足设计和使用要求参考文献[1]赵 .电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009. 科技创新与应用2017年12期科技创新与应用的其它文章基于单片机的智能车载安全系统设计轨道交通领域技术变更管理系统建模与开发浅论现代林区的营林方法与措施城市园林设计施工质量控制策略探析夹岩水利枢纽及黔西北供水工程金沙分干渠隧洞设计关于预应力混凝土连续箱梁施工技术的分析 -全文完-。