電子設(shè)備熱仿真及優(yōu)化技術(shù)研究

0　引言

隨著軍用電子設(shè)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(shè)備內(nèi)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(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，將直接影響系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性。熱仿真分析能夠在方案階段比較真實(shí)模擬出系統(tǒng)的熱分布狀況，對(duì)熱設(shè)計(jì)方案可行性進(jìn)行全面分析，確定出系統(tǒng)的溫度最高點(diǎn)，通過(guò)對(duì)數(shù)字方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，可消除存在的熱設(shè)計(jì)問(wèn)題，以提高產(chǎn)品可靠性、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

1應(yīng)用實(shí)例及仿真分析

1.1應(yīng)用實(shí)例

某二次加固型的監(jiān)測(cè)電子設(shè)備，內(nèi)部包括主板、顯卡、功能板、電源和一個(gè)輔助風(fēng)扇，系統(tǒng)熱控制的設(shè)計(jì)指標(biāo)是在環(huán)境溫度50℃時(shí)，關(guān)鍵器件核心溫度不超過(guò)900(3。監(jiān)測(cè)電子設(shè)備內(nèi)部主要器件的TDP(Thermal　Design　Power)值及配置如表1所示。

由設(shè)備發(fā)熱總量和熱平衡方程：

估算出系統(tǒng)輔助風(fēng)扇風(fēng)量約為80(CFM)。

由于監(jiān)測(cè)電子設(shè)備總功率高，關(guān)鍵器件允許溫升小，如果根據(jù)電子設(shè)備傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，通過(guò)樣機(jī)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)電子設(shè)備的高溫性能，關(guān)鍵器件溫度可能會(huì)超過(guò)允許值，導(dǎo)致設(shè)備可靠性下降，或者樣機(jī)報(bào)廢，影響產(chǎn)品交付周期。為降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高一次成功率，在生產(chǎn)樣機(jī)前使用熱仿真軟件對(duì)監(jiān)測(cè)電子設(shè)備散熱方案進(jìn)行前端仿真，獲得監(jiān)測(cè)電子設(shè)備溫度分布情況，若達(dá)不到要求應(yīng)采取改進(jìn)散熱措施，以達(dá)到系統(tǒng)熱控制的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.2初始方案仿真分析

Icepak是專業(yè)的電子設(shè)備熱仿真軟件，能夠解決系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)、封裝級(jí)的熱分析問(wèn)題，提供電子設(shè)備熱仿真中常用組件風(fēng)扇、熱源等，在Windows風(fēng)格的統(tǒng)一界面內(nèi)完成建模建立、邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、問(wèn)題求解、優(yōu)化和后處理等所有分析過(guò)程，簡(jiǎn)化了熱分析建模過(guò)程。

考慮功率器件內(nèi)部傳導(dǎo)熱阻和導(dǎo)熱膠墊熱阻，對(duì)監(jiān)測(cè)電子設(shè)備的初始方案經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)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(fēng)扇風(fēng)量及環(huán)境溫度，散熱片部分局部細(xì)化，自動(dòng)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(fēng)速跡線圖如圖4所示。

由初始方案溫度云圖3可知，監(jiān)測(cè)電子設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(fēng)扇。初始方案設(shè)計(jì)余量不足，不能達(dá)到系統(tǒng)熱控制指標(biāo)，需采取優(yōu)化改進(jìn)措施。對(duì)初始方案風(fēng)速跡線圖4進(jìn)行分析，雖然系統(tǒng)風(fēng)速較大，由于受主板器件布局和設(shè)備結(jié)構(gòu)形式影響，初始方案中系統(tǒng)冷卻氣流在監(jiān)測(cè)電子設(shè)備的分配很不合理，系統(tǒng)總風(fēng)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(fēng)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(shí)難以滿足主板CPU散熱要求，是導(dǎo)致監(jiān)測(cè)電子設(shè)備初始方案主板CPU器件溫度過(guò)高的主要原因。

2熱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

2.1方案優(yōu)化及仿真監(jiān)測(cè)

電子設(shè)備中主板為COTS(commercial　off　the　shelf)產(chǎn)品，器件位置無(wú)法改變，要在初始方案基礎(chǔ)上達(dá)到系統(tǒng)熱控制要求，可通過(guò)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為達(dá)到系統(tǒng)熱控制設(shè)計(jì)指標(biāo)，在監(jiān)測(cè)電子設(shè)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(qiáng)、等溫性好，冷板強(qiáng)化散熱技術(shù)結(jié)構(gòu)形式靈活、成本低，熱管冷板將熱管散熱技術(shù)和冷板散熱技術(shù)合理組合，充分利用二者的優(yōu)點(diǎn)，既結(jié)構(gòu)緊湊，又能有效地解決高密度熱流發(fā)熱器件的散熱問(wèn)題。

在熱管冷板組件中，冷板為高導(dǎo)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(cè)電子設(shè)備初始方案的風(fēng)速跡錢圖，在設(shè)備內(nèi)部風(fēng)速較大位置增加一組適當(dāng)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(jié)型微熱管(micro　heat　pipe，MHP)，打扁至4mm后鑲嵌在冷板內(nèi)部，熱端與功率器件接觸，冷端位于新增散熱片底部，結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。通過(guò)熱管冷板組件與冷卻氣流強(qiáng)制對(duì)流換熱，高效將主板關(guān)鍵CPU、北橋芯片的熱量快速帶走。

系統(tǒng)風(fēng)扇風(fēng)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(xì)化，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，求解后獲得的優(yōu)化方案中關(guān)鍵器件的溫度云圖如6所示，系統(tǒng)風(fēng)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(duì)初始方案明顯改善，達(dá)到系統(tǒng)熱控制要求。通過(guò)在測(cè)試電子設(shè)備上蓋板CPU氣流前段位置增加擋風(fēng)板可進(jìn)一步提高冷卻氣流效率。

2.2熱分析與測(cè)試結(jié)果比較

按優(yōu)化方案完成監(jiān)測(cè)電子設(shè)備設(shè)計(jì)、加工、組裝后，在環(huán)境溫度50℃時(shí)，順利通過(guò)了高溫環(huán)境試驗(yàn)的相關(guān)條目和120小時(shí)可靠性考核，達(dá)到了系統(tǒng)熱控制要求。使用美國(guó).Degree　Control公司熱測(cè)試系統(tǒng)ATM2400和AccuSense　UTSl000型熱電偶傳感器，監(jiān)測(cè)電子設(shè)備內(nèi)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(cè)試數(shù)據(jù)比較可知，軟件模擬分析結(jié)果和實(shí)際測(cè)量值比較接近，最大誤差為8.1%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。模擬分析誤差主要來(lái)自熱電偶傳感器安裝位置誤差、模型簡(jiǎn)化誤差和監(jiān)測(cè)電子設(shè)備實(shí)際工作情況誤差。

在開放式電子設(shè)備中，對(duì)因器件布局限制導(dǎo)致的局部器件溫度過(guò)高問(wèn)題，熱管冷板組件結(jié)構(gòu)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(shè)備熱仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

從以上優(yōu)化仿真過(guò)程可以看出，在基本不增加項(xiàng)目成本的條件下，通過(guò)Icepak熱仿真軟件對(duì)數(shù)字樣機(jī)的熱仿真和優(yōu)化，改善了初始熱設(shè)計(jì)方案的不足，明顯降低了關(guān)鍵器件的表面溫度，提高了產(chǎn)品可靠性，但電子設(shè)備的熱仿真不能完全取代高溫試驗(yàn)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(shí)地模擬系統(tǒng)的熱狀況，對(duì)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行評(píng)估，但由于流體理論研究的局限性和仿真模型的復(fù)雜性，即使模型精確，工程師經(jīng)驗(yàn)豐富，測(cè)試結(jié)果和熱分析軟件仿真結(jié)果依然可能存在較大誤差。為了達(dá)到較好的效果，電子設(shè)備熱仿真一定要與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，并相互補(bǔ)充。

熱仿真軟件對(duì)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的重要作用，在于幫助設(shè)計(jì)師較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)散熱系統(tǒng)的效果，找到影響系統(tǒng)散熱能力的關(guān)鍵點(diǎn)，可快速對(duì)優(yōu)化措施的效果進(jìn)行模擬，并可對(duì)影響系統(tǒng)散熱效果的多種因素及影響程度進(jìn)行定量的綜合分析，為選擇費(fèi)效比最優(yōu)的散熱措施提供依據(jù)。

4結(jié)束語(yǔ)

熱分析軟件能在方案設(shè)計(jì)階段快速獲得系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的效果，在系統(tǒng)級(jí)模擬出電子設(shè)備內(nèi)部風(fēng)速、風(fēng)壓及溫度場(chǎng)分布狀況，對(duì)設(shè)備散熱能力有一個(gè)直觀量全面的了解，及時(shí)發(fā)現(xiàn)初始方案熱設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。

通過(guò)優(yōu)化數(shù)字樣機(jī)中風(fēng)道、器件布局、風(fēng)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(fèi)效比最高的系統(tǒng)散熱方案提供依據(jù);同時(shí)減少生產(chǎn)實(shí)際樣機(jī)的時(shí)間和費(fèi)用，使得產(chǎn)品能夠高質(zhì)、高效地投入市場(chǎng)，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。