《Icepak 在W-CDMA 基站热设计中的应用》.pdf

2005 Fluent 中国用户大会论文集 Icepak 在W-CDMA 基站热设计中的应用 张光颖 (宇通科技（杭州）有限公司 研发部) 摘 要：基站的散热分析与设计是其可靠性设计中的一个重要组成部分，本文结合宇通科技研发部的热设计工作，着重讨论 热控分析软件 ICEPAK 在公司基站研发过程中散热设计、分析、仿真与测试等方面的应用情况，并对几个具体的案例作简要 介绍。 关键词：可靠性 散热设计 热分析 散热仿真 ICEPAK 1. 前言 W-CDMA 基站具有单板及系统的功耗高、单板上元件密度大和系统中电路板密度大等特点，由此而 产生的系统热密度的激增使通信设备供应商对其产品的可靠性更加关注，而热环境就是影响电子产品性能 和可靠性的重要因素之一。 当电子设备工作时，其输出功率只占设备输入功率的一部分，而功率损失一般都是以热能的形式散发 出来。此外，由于电子设备制造工艺的发展使电子设备的热控制问题成为制约系统可靠性的难点。以 WCDMA 基站为例，由于工作原理等因素，基站关键部件如 PA 模块和基带卡等在正常运行时会产生大量 的热量，尤其是 PA ，由于其工作效率通常不足 10％，因此对基站散热设计提出了更大挑战。散热成为除 电源外影响基站可靠性故障的主要原因之一，3G 时代更是将有过之而无不及。这就要求设备商在 3G 基站 设计时要特别考虑由散热导致的可靠性问题。 2. 热设计中的 CFD 仿真技术 针对基站热量产生的原因与系统结构，必须对基站的热场分布进行分析研究，采用合理的热设计方法， 保证基站中各设备在允许的温度范围内工作。专用热分析软件 Icepak 面向电子元器件、多芯片模块、印制 板、子系统和整机系统，通过模型建立、模型求解和后处理三方面将电子产品的热效应分析放在了设计前 期。借助电子冷却软件的分析，可有效解决如下问题：结合不断发展的电子冷却技术，优化适用于系统的 冷却方案；快速有效的把握解决问题的方向；优化系统内关键器件、部件的布局；减少设计成本、提高产 品的一次成功率（get-right-first-time ），改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的上市时间。热 设计软件的应用为提高产品设计水平和质量，起到非常重要的作用。 下面是结合实际工作，采用 Icepak 软件进行热设计的实例，硬件平台为：P4 2.6G,1G RAM,80G 硬盘， Win2k ，Icepak4.1.16 。 3. W-CDMA 宏蜂窝基站 NodeB 散热设计与分析 宏蜂窝基站 NodeB 是为运营商解决城市高话务地区的覆盖量身定做，结构紧凑，集成度高，占地少， 单机柜支持 12 载波扇区、1440 个信道，采用 All-in-one 设计，射频远端集成于机柜内，兼容 20W TPA 和 393 2005 Fluent 中国用户大会论文集 40W TPA，大大拓展了前向和反向信道的覆盖范围，为运营商节省初期部署 3G 网络的成本。 整个基站由两个子框组成，分别是 MDE 框和 AMP 框。MDE 框由下至上分为三层，即风扇层，单板层 1 和单板层 2。AMP 框则由下至上分为两层，即风扇层和功放层。单板层的高度为 235mm 和260mm，为纵向放 置，由此形成单板间的风道，保证每块单板间均有冷风流过，充分带走热量。功率放大器采用大尺寸高密 度散热器散热。基站尺寸为 1300mm（H）x 770mm （W）x 650mm（D） 。 （一） 理论计算 系统 2C6S 满配置时，共有 54 块单板，6 个40W TPA,整个系统的发热功率约为 3700W,系统温升要求控 制在 10℃之内。基站平均热密度为 5687W / m3 ，局部最高热密度为 42903W / m3 ，由此判定单靠自然冷 却不能完全解决基站的冷却问题，必须采用强迫对流冷却。 (1)采用强迫对流冷却时，从机柜中排走的热量可采用方法计算： φ q c t