陈炳榛 邓世怡 徐娇娇

摘 要：当电子设备应用到户外的时候，不仅对环境的适应能力有着较高的要求，而且对工作温度、防雨、功耗等方面也有着较高的要求。对于户外电子设备体积小、功耗大、外壳材料的导热性能差等一系列问题，采用热设计及仿真试验分析，可以在产品设计时得到温度分布，提升电子设备的可靠性及使用期限。文章主要分析电子设备热设计的内容及方法，阐述整体设计方案及热仿真模型的建立，并讨论了热仿真分析及结果，从而加强户外电子设备产品的应用性能。

关键词：户外电子设备;热设计;仿真试验

0 引言

由于电子技术的发展，使得电子设备逐渐成熟且微型化，但其功率却不断增大，导致一定体积下的热量持续增加。因此，在电子设备设计过程中，热设计对产品的质量有着重要的影响。良好的热设计能够极大地促进电子设备工作时的安全性和可靠性。传统的热设计一般按照经验或者换热公式进行预先估计，然后再对产品进行检验。此种方式结果不准确，且浪费材料，散热效果差。所以，需要在电子产品的设计阶段就进行热设计及仿真实验，从而提升产品的可靠性能。由此可见，对某户外电子设备的热设计及仿真试验进行研究具有重要的意义。

1 电子设备热设计的内容及方法

1.1  热设计内容

电子设备热设计主要是为了完成系统的一些功能而应用的冷却技术和方法。热设计需要解决的核心问题是由于电子组装密度的增加而导致的高热流密度以及冷却方法之间的矛盾问题。因此，设计者必须有效利用冷却系统的功能，以及冷却系统的使用成本、维护性等基本的设计原则来解决这一问题，采用科学、合理的热设计方案是目前工程师需要关注的重点内容[1]。

电子设备的热分析软件给设计者提供了全新的方式，能够有效解决上述问题，利用热分析软件进行热模拟，能够准确得到热设计的效果，并且得到之前热设计过程中存在的不足之处，这样设计者就能够对电子设备的热设计进行完善和优化，从而提升电子设备的安全性和稳定性。

电子设备的热设计过程包括几个环节：有效的冷却方法、电子元器件及模块的布局处理、气流的通道、风扇的设计、散热器的选择、器件接触电阻的有效控制等，从而保证电子设备中的元器件在合理的温度范围内，同时可以可靠、正常的运行。

热交换器主要是进行加热或者冷却的操作，主要是由一组散热片构成的散热器进行相应的操作，同时通过风扇来强制对流换热。此外，散热器的电阻值对热交换器的散热性能有着关键性的影响。当散热器两端的传热系数接近的时候，必须对两侧进行传热强化。在传热强化的过程中，采用不断扩大散热器表面积的方法或者优化流体流动的方式，从而优化热交换器的换热效果，减少热交换器的尺寸大小。

1.2  热设计的方法

传热方法主要包括传导、对流以及辐射等3个方面，热设计中的热交换也可以采用这3种方式。在实际应用的过程中，主要采用一种方式，或者两种方式，并且3种传热方法的作用效果类似，都有着较好的应用性能。对于电子设备热交换器的热量交换过程而言，主要采用对流或者传导方式，电子设备柜内温度高达60～75 ℃，在这一条件下可以忽视辐射传热。此外，流体动力学也是热设计仿真过程中重要的理论基础。现阶段，各种类型的换热器都以传热学和流体动力学作为理论基础，也使得电子设备得到了长久的发展[2]。

热设计主要是把电子设备中的余热排到设备的外部，并且保证内部的温度控制在合理范围内。通过热设计仿真软件，能够高效得出设备热设计的分析结果，在一定程度上保证了产品设计的质量。按照电子设备热设计的实际需求，前端热设计这一理念被提出，就是指在产品设计的前期以及过程中明确好热设计的方案方法，并且对热设计方案的可靠性进行研究，精确的估计最终的结果，并且在后续的设计过程中进行优化分析和调整。随着电子设备研发市场的快速发展，人们对户外电子设备的需求也越来越多，这一设计理念得到了广泛的应用。

2   整体设计方案

在设计的过程中，需要遵守热设计的准则。第一，降低发热量。可以使用较好的控制方式及技术，同时应用功耗较低的元器件，避免应用过多的发热器件。第二，增加散热。可以通过传导、对流以及辐射等传热方式，加快热量的传输。第三，要在最大程度上避免因运行时间、功率变化、环境变化等因素导致的热瞬变，从而保证各个器件的温度波动降到最低，提升电子设备的稳定性。第四，使用简单的冷却方式，同时保证冷却设备的轻便可靠性。第五，在热设计的过程中，会受到很多不确定性因素的影响，所以最终的结果可以存在一定的误差。

电子设备主要由电源、天线、接受模块、信号处理模块和接口等几个部分组成。其设备内部的主要器件以及模块的功率为：芯片1功率40 W;芯片2功率10 W;芯片3功率1 W;芯片4功率1 W;芯片5功率1 W;电源模块功率10 W;接收模块 1功率27 W;接收模块2功率10 W。各个器件模块的总功率为100 W，且数量均为1。其中，芯片1是整个电子设备的核心元器件，功率是整机功率的40%。功耗较大，同时体积小，因此芯片1的功率密度较大，需要重点关注并考虑芯片1的设计。

3   热仿真模型的建立

3.1  模型的简化处理

为了实现热仿真模型建立的简洁化过程，进一步提升仿真的准确程度、节约设计时间，可以对户外电子设备的外部结构以及内部布局进行简化处理，去除圆角、倒角以及拔模斜度等。当对接口部分以及调试口进行简化处理之后，需要利用实体将相应位置处的空隙位置填充完整。

3.2  仿真模型的建立

户外电子设备的后壳是金属材料，本文采用铝合金材料，此种材料重量轻而且導热性能好。前壳的地方主要是保障天线的接收性能。可以采用非金属材料，而且导热系数较低，一般是0.4 W（m.k），芯片1到芯片5需要布置在印制板当中。

芯片1是户外电子设备的核心器件，由于功耗比较大，所以必须对其采用散热设计等方法。为了保证设计目标的有效实现，可以应用大面积铜板和器件进行相连，利用传导方式把热量迅速的排出，再把铜板和外壳之间进行密切的连接。芯片1的热传导过程顺序可以表示：芯片外壳、铜板、导热垫、后壳、空气。

对于户外电子设备而言，必须进行防雨设计，所以整机可以使用自然散热的方法。利用天线罩、后壳和密封垫，整机能够产生一个封闭体，利用后壳能够加大散热面积，使得表面积得到增加，从而在一定程度上提升散热性能。接收模块1以及接收模块2和电源模块和后壳进行连接，之间可以添加导热垫[3]。

4 热仿真分析及结果

4.1  仿真结果分析及设计优化

通过仿真结果能够得出各个元器件以及模块的温度值，其中，芯片1的温度89.7℃;芯片2的温度88.1℃;芯片3的温度85.3℃;芯片4的温度85.4℃;芯片5的温度85.2℃;电源模块的温度83.3℃;接收模块1的温度90.1℃;接收模块2的温度86.5℃。根据各个元器件模块和印制板温度的云图分布能够得出，芯片1的功率最大，其壳体温度为89.7摄氏度，芯片1的热阻表示：Rjc=0.16℃/W。

Tj=Tc+Rjc×P=89.7+0.16×40=96.1（℃）

其中，Tj表示芯片的温度;Tc表示芯片的壳温;Rjc表示芯片的结壳热阻;P表示芯片的功耗。

因此，当各个芯片的结温度是96.1（℃）时，比芯片规定的最高运行结温度110 ℃要低。

户外电子设备整机使用自然散热的方式，内部较为封闭，而空气始终为循环的情况。当整机处于热平衡状态时，户外电子设备内部的空气温度保持恒定，此时，底部区域比顶部区域要低1 ℃，和预期的要求一致。

芯片1中主要应用了铜板散热器，其尺寸对设备的散热功能起到了重要的影响，因此可以设置多个尺寸的铜板散热器，然后进行仿真与优化，从而得到最好的结果。在设计过程中，对设备整机厚度有着较高的要求，铜板散热器的厚度大约为3毫米。在优化仿真时，只需对长度进行设计。芯片和铜板散热器的形状均为正方形，优化设计之后的结果如表1所示。

由仿真结果可知，当铜板散热器的尺寸为50×50×3的时候，芯片1的温度最低为89.7 ℃。所以，可以根据这一标准进行散热器的设计。

4.2  测试实验

为了进一步表明仿真结果的正确性，对户外电子设备进行热测试的时候，对相关的器件温度进行记录，然后对比研究，其结果如表2所示。

根据对比结果可知，仿真温度和实测温度之间的最大误差为2.4℃。因为仿真模型极大的简化参数设置以及过程，而且受到实际测量过程中误差因素的影响。然而仿真温度和实测温度之间的误差都在3℃以下，证明实测值及仿真值都满足设备的使用需求。除此之外，通过对比分析可知，在户外电子设备设计的过程中进行仿真热分析，能够准确计算出功耗元器件的运行温度。而芯片以及模块的散热器的优化设计，可以在一定程度上帮助设计者找出最佳的散热器形状以及尺寸，并且对户外电子设备的结构设计以及PCB电路板布置的科学性作出判断。

5 结语

本文对某户外电子设备的热设计及仿真试验的研究表明户外电子设备具有体积小、功耗大、外殼材料的导热性能差等一系列问题。采用热设计及仿真试验分析，可以在产品设计时得到温度分布，提升电子设备的可靠性及使用期限。通过热仿真分析可得电子设备内部的发热器件的温度分布，这对整机的热设计和仿真试验起到了重要的作用。此外，本文提出的某户外电子设备的热设计符合环境的使用条件，说明了此方案的可行性。通过对比分析实验数据以及优化后的数据可以得到使用自然散热的方法，极大地满足了设备的最高温度要求。

[参考文献]

[1]于斌.某户外电子设备的热设计及仿真试验[J].机械研究与应用，2020（2）：68-70.

[2]张泠，罗勇强，刘忠兵，等.电子设备热电散热器的节能优化研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2015（3）：120-124.

[3]王家明，刘鲁军，周瑞.户外电子设备箱结构设计及应用[J].机械设计，2018（5）：71-76.

（编辑 傅金睿）