0 引言
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(fā)展，電子設備內一些大功率器件的發(fā)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(tǒng)功能的實現(xiàn)和長時間工作的穩(wěn)定性。熱仿真分析能夠在方案階段比較真實模擬出系統(tǒng)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(tǒng)的溫度最高點，通過對數(shù)字方案優(yōu)化設計，可消除存在的熱設計問題，以提高產(chǎn)品可靠性、縮短產(chǎn)品上市時間。
1應用實例及仿真分析
1.1應用實例
某二次加固型的監(jiān)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(tǒng)熱控制的設計指標是在環(huán)境溫度50℃時，關鍵器件核心溫度不超過900(3。監(jiān)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(fā)熱總量和熱平衡方程：
估算出系統(tǒng)輔助風扇風量約為80(CFM)。
由于監(jiān)測電子設備總功率高，關鍵器件允許溫升小，如果根據(jù)電子設備傳統(tǒng)設計方法設計，通過樣機驗證監(jiān)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(chǎn)品交付周期。為降低設計風險，提高一次成功率，在生產(chǎn)樣機前使用熱仿真軟件對監(jiān)測電子設備散熱方案進行前端仿真，獲得監(jiān)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(tǒng)熱控制的設計指標。
1.2初始方案仿真分析
Icepak是專業(yè)的電子設備熱仿真軟件，能夠解決系統(tǒng)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(tǒng)一界面內完成建模建立、邊界條件設置、網(wǎng)格劃分、問題求解、優(yōu)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(jiān)測電子設備的初始方案經(jīng)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(fā)熱功率、風扇風量及環(huán)境溫度，散熱片部分局部細化，自動劃分網(wǎng)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(tǒng)風速跡線圖如圖4所示。
由初始方案溫度云圖3可知，監(jiān)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(jié)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(tǒng)熱控制指標，需采取優(yōu)化改進措施。對初始方案風速跡線圖4進行分析，雖然系統(tǒng)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(tǒng)冷卻氣流在監(jiān)測電子設備的分配很不合理，系統(tǒng)總風量中僅有很小一部分流經(jīng)主板CPU、北橋上表面的散熱片，系統(tǒng)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(huán)境溫度50℃時難以滿足主板CPU散熱要求，是導致監(jiān)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(yōu)化
2.1方案優(yōu)化及仿真監(jiān)測
電子設備中主板為COTS(commercial off the shelf)產(chǎn)品，器件位置無法改變，要在初始方案基礎上達到系統(tǒng)熱控制要求，可通過一定措施優(yōu)化措施提高系統(tǒng)冷卻氣流利用率，提高系統(tǒng)散熱效果。分析初始方案的結構特點，為達到系統(tǒng)熱控制設計指標，在監(jiān)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(yōu)點，既結構緊湊，又能有效地解決高密度熱流發(fā)熱器件的散熱問題。
在熱管冷板組件中，冷板為高導熱系數(shù)的鋁合金，除主板CPU、北橋芯片位置的散熱片外，根據(jù)監(jiān)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(tǒng)風扇風量不變，重新建立優(yōu)化方案的Icepak仿真模型，散熱片部分局部細化，自動劃分網(wǎng)格，求解后獲得的優(yōu)化方案中關鍵器件的溫度云圖如6所示，系統(tǒng)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(yōu)化措施后，提高了系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)化方案完成監(jiān)測電子設備設計、加工、組裝后，在環(huán)境溫度50℃時，順利通過了高溫環(huán)境試驗的相關條目和120小時可靠性考核，達到了系統(tǒng)熱控制要求。使用美國.Degree Control公司熱測試系統(tǒng)ATM2400和AccuSense UTSl000型熱電偶傳感器，監(jiān)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(shù)據(jù)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(jiān)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(tǒng)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(yōu)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(shù)字樣機的熱仿真和優(yōu)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(chǎn)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(tǒng)的熱狀況，對產(chǎn)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)的效果，找到影響系統(tǒng)散熱能力的關鍵點，可快速對優(yōu)化措施的效果進行模擬，并可對影響系統(tǒng)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(yōu)的散熱措施提供依據(jù)。
4結束語
熱分析軟件能在方案設計階段快速獲得系統(tǒng)熱設計的效果，在系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)初始方案熱設計中存在的問題。
通過優(yōu)化數(shù)字樣機中風道、器件布局、風扇、散熱器等各種參數(shù)的綜合分析，尋找系統(tǒng)散熱最佳方案，為選擇費效比最高的系統(tǒng)散熱方案提供依據(jù);同時減少生產(chǎn)實際樣機的時間和費用，使得產(chǎn)品能夠高質、高效地投入市場，提高產(chǎn)品的市場競爭力。
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