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最新消息| 電子設備熱仿真及優化技術研究 | 2022-05-11 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"http://www.eepw.com.cn/article/201612/328486.htm" 隨著軍用電子設備研制不斷向小型化、多功能化和高性能化方向發展，電子設備內一些大功率器件的發熱量和熱流密度不斷增加，如果不能有效地進行散熱設計，將直接影響系統功能的實現和長時間工作的穩定性。熱仿真分析能夠在方案階段比較真實模擬出系統的熱分布狀況，對熱設計方案可行性進行全面分析，確定出系統的溫度最高點，通過對數字方案優化設計，可消除存在的熱設計問題，以提高產品可靠性、縮短產品上市時間。本文引用地址：http:www.eepw.com.cnarticle201612328486.htm1應用實例及仿真分析1.1應用實例某二次加固型的監測電子設備，內部包括主板、顯卡、功能板、電源和一個輔助風扇，系統熱控制的設計指標是在環境溫度50℃時，關鍵器件核心溫度不超過900(3。監測電子設備內部主要器件的TDP(Thermal Design Power)值及配置如表1所示。由設備發熱總量和熱平衡方程：估算出系統輔助風扇風量約為80(CFM)。由于監測電子設備總功率高，關鍵器件允許溫升小，如果根據電子設備傳統設計方法設計，通過樣機驗證監測電子設備的高溫性能，關鍵器件溫度可能會超過允許值，導致設備可靠性下降，或者樣機報廢，影響產品交付周期。為降低設計風險，提高一次成功率，在生產樣機前使用熱仿真軟件對監測電子設備散熱方案進行前端仿真，獲得監測電子設備溫度分布情況，若達不到要求應采取改進散熱措施，以達到系統熱控制的設計指標。1.2初始方案仿真分析Icepak是專業的電子設備熱仿真軟件，能夠解決系統級、部件級、封裝級的熱分析問題，提供電子設備熱仿真中常用組件風扇、熱源等，在Windows風格的統一界面內完成建模建立、邊界條件設置、網格劃分、問題求解、優化和后處理等所有分析過程，簡化了熱分析建模過程。考慮功率器件內部傳導熱阻和導熱膠墊熱阻，對監測電子設備的初始方案經過適當簡化后[3]，建立的Icepak仿真模型如圖1所示，輸入主要器件的發熱功率、風扇風量及環境溫度，散熱片部分局部細化，自動劃分網格，仿真模型迭代收斂曲線如圖2所示，初始方案中主要器件溫度云圖如3所示，系統風速跡線圖如圖4所示。由初始方案溫度云圖3可知，監測電子設備初始方案能滿足顯卡、功能模塊上功率器件的熱控制要求，但CPU溫度(119.8℃)遠遠超過器件允許節溫(90℃)，雖然主板上CPU位置有白帶的散熱片和風扇。初始方案設計余量不足，不能達到系統熱控制指標，需采取優化改進措施。對初始方案風速跡線圖4進行分析，雖然系統風速較大，由于受主板器件布局和設備結構形式影響，初始方案中系統冷卻氣流在監測電子設備的分配很不合理，系統總風量中僅有很小一部分流經主板CPU、北橋上表面的散熱片，系統風量利用效率很低;主板上CPU位置散熱片散熱面積不足，在環境溫度50℃時難以滿足主板CPU散熱要求，是導致監測電子設備初始方案主板CPU器件溫度過高的主要原因。2熱設計方案優化2.1方案優化及仿真監測電子設備中主板為COTS(commercial off the shelf)產品，器件位置無法改變，要在初始方案基礎上達到系統熱控制要求，可通過一定措施優化措施提高系統冷卻氣流利用率，提高系統散熱效果。分析初始方案的結構特點，為達到系統熱控制設計指標，在監測電子設備中增加熱管冷板組件。熱管元件體積小、重量輕、傳熱能力強、等溫性好，冷板強化散熱技術結構形式靈活、成本低，熱管冷板將熱管散熱技術和冷板散熱技術合理組合，充分利用二者的優點，既結構緊湊，又能有效地解決高密度熱流發熱器件的散熱問題。在熱管冷板組件中，冷板為高導熱系數的鋁合金，除主板CPU、北橋芯片位置的散熱片外，根據監測電子設備初始方案的風速跡錢圖，在設備內部風速較大位置增加一組適當密度和高度的散熱片，方向與冷卻氣流方向一致。熱管采用直徑為8mm的高性能燒結型微熱管(micro heat pipe，MHP)，打扁至4mm后鑲嵌在冷板內部，熱端與功率器件接觸，冷端位于新增散熱片底部，結構示意如圖5所示。通過熱管冷板組件與冷卻氣流強制對流換熱，高效將主板關鍵CPU、北橋芯片的熱量快速帶走。系統風扇風量不變，重新建立優化方案的Icepak仿真模型，散熱片部分局部細化，自動劃分網格，求解后獲得的優化方案中關鍵器件的溫度云圖如6所示，系統風速跡線圖如圖8所示，熱管冷板組件的溫度云圖如圖7所示。從圖6可以看出，采用增加熱管冷板組件優化措施后，提高了系統冷卻氣流的利用效率，主板CPU、北橋核心溫度降低了20℃以上，顯卡器件核心溫度90℃左右，散熱效果相對初始方案明顯改善，達到系統熱控制要求。通過在測試電子設備上蓋板CPU氣流前段位置增加擋風板可進一步提高冷卻氣流效率。2.2熱分析與測試結果比較按優化方案完成監測電子設備設計、加工、組裝后，在環境溫度50℃時，順利通過了高溫環境試驗的相關條目和120小時可靠性考核，達到了系統熱控制要求。使用美國.Degree Control公司熱測試系統ATM2400和AccuSense UTSl000型熱電偶傳感器，監測電子設備內部主要器件表面溫度如表2所示。由表2中的分析溫度與測試數據比較可知，軟件模擬分析結果和實際測量值比較接近，最大誤差為8.1%，滿足工程設計要求。模擬分析誤差主要來自熱電偶傳感器安裝位置誤差、模型簡化誤差和監測電子設備實際工作情況誤差。在開放式電子設備中，對因器件布局限制導致的局部器件溫度過高問題，熱管冷板組件結構形式靈活多樣，成本低，熱阻小，可明顯改善系統冷卻氣流利用不高的狀況，可作為一種通用有效的解決方案。3電子設備熱仿真和實驗的結合從以上優化仿真過程可以看出，在基本不增加項目成本的條件下，通過Icepak熱仿真軟件對數字樣機的熱仿真和優化，改善了初始熱設計方案的不足，明顯降低了關鍵器件的表面溫度，提高了產品可靠性，但電子設備的熱仿真不能完全取代高溫試驗的作用。雖然目前商用熱仿真軟件均能在方案階段比較真實地模擬系統的熱狀況，對產品熱設計方案的可行性進行評估，但由于流體理論研究的局限性和仿真模型的復雜性，即使模型精確，工程師經驗豐富，測試結果和熱分析軟件仿真結果依然可能存在較大誤差。為了達到較好的效果，電子設備熱仿真一定要與實驗測試相結合，并相互補充。熱仿真軟件對系統熱設計的重要作用，在于幫助設計師較為準確的預測散熱系統的效果，找到影響系統散熱能力的關鍵點，可快速對優化措施的效果進行模擬，并可對影響系統散熱效果的多種因素及影響程度進行定量的綜合分析，為選擇費效比最優的散熱措施提供依據。4結束語熱分析軟件能在方案設計階段快速獲得系統熱設計的效果，在系統級模擬出電子設備內部風速、風壓及溫度場分布狀況，對設備散熱能力有一個直觀量全面的了解，及時發現初始方案熱設計中存在的問題。通過優化數字樣機中風道、器件布局、風扇、散熱器等各種參數的綜合分析，尋找系統散熱最佳方案，為選擇費效比最高的系統散熱方案提供依據;同時減少生產實際樣機的時間和費用，使得產品能夠高質、高效地投入市場，提高產品的市場競爭力。 關鍵字標籤：hipot tester |
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