2020.11
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导热
对流
导热板
左侧板
通过计算箱体外壁与空气对流散热的热流密度可以研究密闭机箱的整体散热情况。
热设计理论分析计算
图4 密闭机箱散热分析几何模型
热仿真计算结果
根据客户协议“环境适应性”要求的最高环境温度设置模拟温箱的实际情况（设置风速为2 m/s
温度（℃）
风压（Pa）
123.000
108.000
93.600
79.000
64.500
50.000
5.910夫妻草
3.890
温度监控系统
1.870
-0.151
-2.170
-4.190
图5 机箱热分析模型温度分布云图
温度（℃）
123.0
108.0
93.6
79.0
64.5
50.0
图6 机箱内部热分析模型温度云图
热量主要集中在机箱的后半区域，在进行机箱整体的结构热设计时，应在该区域加强散热，如增加机箱左、右侧板后半区域的散热筋片数量，尽量实现机箱前面板、后盖板组件与左、右侧板之间的热交换，将热量均匀化，提高机箱与外部空气的对流换热效率。
内部模块主要芯片最高温度如表2所示，模块1最高温度122.6℃；模块2最高温度105℃；模块3壳温为80.7℃；模块1和模块2的TPS53355芯片最高允许结温为125℃；模块3最高允许壳温为85℃；因此满足高温环境要求，机箱内部发热模块集中区域出现热量聚集，最高工作环境温度接近79℃，应在模块与机箱壁之间采取冷板结构等加强散热措施。另外：模块1和模块2最高温度均在芯片TPS53355处，模块1的TPS53355结温为122.6℃，模块2的TPS53355结温为105℃，两者相差17.6℃，这是由于模 43
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第22期现代信息科技
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块1中TPS 53355距离锁紧条装置较远，模块2中TPS 53355距离锁紧条装置较近；仿真结果表明芯片在PCB 板上的布板位置以及芯片散热的导热路径优劣直接影响系统的散热性能。
序号模块名称
主要器件平均热耗（W ）芯片结-壳热阻R th （J -C ）（℃/W ）器件散热面积（mm 2）设计允许最高结温（℃）仿真得出结温（℃）1模块1XC 7K 325T-2FFG 900I 10.00.2631×3110091.52TMS 320C 66784.00.3024×2410590.13TPS 533552.017.106×5125122.64EN 63A 0QI 1.03.0012×1112589.95EN 6338QI 0.53.004×412589.26EN 6363QI 1.03.006×412593.37模块2XC 7K 325T-2FFG 900I 8.00.2631×3110087.78TMS 320C 66784.00.3024×2410586.99TPS 533552.017.106×5125105.010MT 41K 256M 16TW
0.54.6014×89585.511EN 63A 0QI 1.03.0012×1112585.712EN 6338QI 0.53.004×412591.313EN 6363QI 1.03.006×412590.814
模块3电源模块
30.5
—
159×98×27
85（壳温）
80.7
表2 高温工作时自然对流散热及辐射散热的结温
一般的芯片，热设计时仅把R th （J -C ）通过导热垫导出至导
热板即可满足散热要求，但是本论文的主电源芯片TPS 53355，根据芯片手册可以查出相应热参数：芯片TPS 53355的R th （J -C ）=17.1 ℃/W （结-壳热阻），R th （J -B ）=5.9 ℃/W （结-板热阻），由于R th （J -B ）比R th （J -C ）小，仅通过R th （J -C ）经导热垫导出至导热板，是不能满足散热要求的（该工况的仿真结果表明：仅通过R th （J -C ）导出，TPS 53355的结温会超出芯片允许结温，具体细节在此不再赘述）。在此给出该芯片的最佳散热路径：把R th （J -C ）和R th （J -B ）都导出至导热板，即在PCB 板TPS 53355芯片周围区域设置镀铜区域，热量除了传统的R th （J -
C ）通过导热垫导出至导热板外，还经R th （J -B ）传导至镀铜区域，再经导热垫传导至导热板，从而提高TPS 53355的散热效率，控制实际结温低于允许最高结温，使各模块满足散热要求。
4 结 论
通过分析机箱内部发热模块的散热路径，计算工况为“自然对流散热+辐射散热”的热流密度，使用Flotherm 软件对机箱进行散热仿真计算，得到热稳定状态下的温度分布云图，各模块表面的最高温度（壳温）及主要芯片的结温，根据理论分析计算及Flotherm 仿真计算结果，结论如下：
（1）在自然冷却条件下，环境温度为50 ℃，一个大气
压的条件下，密闭机箱达到热稳态的热流密度小于自然对流散热的阈值；
（2）仿真计算结果清晰表明，通过机箱自然对流及辐射散热满足各芯片结温要求，即各主要高热耗芯片仿真计算结温低于芯片允许最高工作结温，设备能正常工作；
（3）芯片在PCB 板上的布板位置以及芯片散热的导热路径优劣直接影响系统散热性能；
（4）TPS 53355的最佳散热路径把R th （J -C ）和R th （J -B ）都导出至导热板，才能满足允许结温要求；
（5）高温试验结果与仿真结果接近，为其他电子设备热仿真分析提供参考依据。
参考文献：
[1] 黄建峰.中文版Creo 4.0从入门到精通 [M].北京：机械工业出版社，2017.
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[2] 李波.FloTHERM 软件基础与应用实例：第2版 [M].北京：中国水利水电出版社，2016.
[3] 薛晨辉.大功率密封机箱的热设计 [J].电子机械工程，2005（6）：4-7+24.
[4] 李玲娜，蔺佳.基于ANSYS Icepak 的密闭机箱散热仿真分析 [J].光电技术应用，2012，27（6）：75-79.
脚底按摩鞋作者简介：曹耀辉（1982—），男，汉族，湖南湘潭人，中级工程师，硕士，研究方向：电子设备结构设计及热管理。
