基于Flotherm的光波测试平台热设计

基于Flotherm的光波测试平台热设计

高健

中电科思仪科技股份有限公司 山东青岛 266500

摘要：本文对光波测试平台的整机结构进行了热分析，通过Flotherm仿真对整机结构的热设计进行优化，并给出仿真和实例测试结果。

关键词：光波测试平台；Flotherm；热设计；

1 引言

光波测试平台是一种多通道、高灵敏度、高精度的光波综合测试仪器。主要包含光偏振控制器模块、光扰偏器模块、光功率计模块、单多模光衰减器模块、光开关模块等。各模块普遍使用了电路板以及表面贴装器件，使用过程中局部会产生较高的热流密度。高温会对电子元器件的使用寿命产生有害影响，进而影响仪器的可靠性。资料表明：单个元器件的温度升高10-12℃，可靠性降低50%[1]。因此，对光波测试仪器进行合理的热设计具有非常重要的意义。

2整机结构设计

综合考虑现有光开关模块、光功率计模块、光衰减器模块等标准化光模块以及各用户对整机小型化、低成本、带显示功能等方面的要求。本机的主要结构设计目标是：兼容现有的光模块、具备功能按键、具备显示功能（采用4.3寸液晶屏）、外形尺寸宽×高×深=319.5mm×132.5mm×350mm、环境适应性满足GJB3947A-2009环境4级设备要求。

2.1光模块结构

如图1所示，当前现有的标准化光模块主要由面板组件、连接板组件、上盖组件、下盖组件等组成。各部分均采用钣金件加工，成本低且加工周期短，具有良好的可生产性。

图1 标准化光模块及结构组成

2.2模块结构布局

各模块的上盖组件设计有导轨，仪器的前面板设计有滑槽，模块与前面板采用竖直插入的装配关系。前面板均匀设计有8个槽位，可满足不同宽度标准化光学模块的顺利插入。通过选配不同功能的光波测量模块，任意搭配组合，满足用户多样化光波测试需求。

图2 模块结构布局

2.3整机结构布局

本机的主要热源为电源、光模块，为减少电源发热对各模块的不良影响，应尽量让电源远离光模块，在结构设计时将电源置于远离模块的一端。综合考虑模块的性能、可装配性、可维修性等，将整机的结构布局设计如图3所示。

电源紧贴围框，通过热传导的方式加快电源散热。将风机置于围框尾部，将电源、光模块产生的热量通过通风孔排出，提升机箱散热性能。

图3 整机结构布局

3整机耐温性能优化

普通光模块功率约为2w，整机功率约为22w，经试验检验，上述整机结构设计的耐温性能满足绝大部分情况的使用。但当8个槽位全部采用光扰偏器模块时（约为10w），整机功率达到60w，且其敏感部件内部的压电陶瓷的谐振频率受温度影响较大，上述整机的散热性能便不再符合要求。需将敏感部件的温度降到35℃以下，以满足该模块扰偏后偏振度≤5%的设计指标要求。

由于光扰偏模块之间分布紧凑，风道阻力很大，仅靠在整机围框后边加装风机无法达到迅速散热的效果。因此，考虑从整机和模块两个方面入手，分别将围框尾部的1个风机更改为2个并联风机。同时，在光扰偏模块内部加装小风机，小风机和大风机形成串联，从而加快整机的散热速度。

图4 改进后的整机结构

改进方案采用了2个大风机并联、4个小风机并联后与2个大风机形成串联。因光模块比较集中、整机空间比较狭小，风机之间的风量关系会较为复杂，借助Flotherm仿真软件对整机运行过程中温度分布进行分析。

首先根据整机结构建立Flotherm热仿真模型，受限于整机的空间，围框尾部的大风机选用较薄的型号AD0812HB-D71，最大风量29.7CFM。小风机选用MC30060V1-000C-A99，最大风量4.9CFM。

图5 整机温度分布图

通仿真结果可以看到，整机运行过程中的最高温度为32℃，满足使用要求。

4实例测试结果

按改进后的整机结构设计方案设计初样机，初样机工作状态良好。通过内部监控软件实时提取敏感部件内部温度，大约40分钟后达到热稳态，目标温度最高温度不超过31℃。模块扰偏后偏振度达到1.5%，满足了小于等于5%的要求。

表1 各模块实测数据

图6 温度、扰偏度测试

5总结

热设计是仪器整机结构设计过程中必须考虑的问题，设计的好坏直接影响仪器的稳定性与可靠性，必须引起设计师的足够重视。

参考文献

[1]赵惇.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社,2009.

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