電子設(shè)備熱設(shè)計在仿真軟件中的運(yùn)用＊

張萬俊

（揚(yáng)州萬方電子技術(shù)有限責(zé)任公司 揚(yáng)州 225006）

1 引言

據(jù)統(tǒng)計，電子設(shè)備的主要失效形式是熱失效，有55%以上是因為冷卻系統(tǒng)設(shè)計不良所導(dǎo)致。隨著溫度的增加，其實效率成指數(shù)增長趨勢，甚至有的器件在環(huán)境溫度每升高10℃，失效率增大一倍以上，被稱為10℃法則。隨著現(xiàn)代設(shè)備小型化的要求，電子器件的集成度越來越高，功率密度不斷增加，設(shè)備工作中因溫度過高引起的失效問題日益突出。如果不采取有效的散熱措施，將導(dǎo)致設(shè)備的可靠性大大降低，當(dāng)溫度達(dá)到或超過器件的最高允許溫度時，器件將受到損壞。如何有效的控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度是熱設(shè)計迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的熱設(shè)計通常是根據(jù)經(jīng)驗或應(yīng)用有限的換熱公式進(jìn)行預(yù)先估計，生產(chǎn)出成品后再通過實驗來檢驗，若不能滿足要求，就要經(jīng)歷修改，再設(shè)計，再生產(chǎn)，再檢驗，如此反復(fù)的設(shè)計過程，這樣既浪費(fèi)時間又浪費(fèi)原材料。顯然這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法已不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。因此，在產(chǎn)品的設(shè)計階段就對其進(jìn)行有效的熱仿真已是非常必要。利用ansys專業(yè)分析軟件進(jìn)行熱仿真分析，確定出模型中的溫度最高點。能夠獲得較為真實的數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品熱設(shè)計提供有力的參考依據(jù)，消除其熱問題，使其最高溫度在允許的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計要求。

2 熱分析軟件的特點

Ansys軟件是一款集熱分析、結(jié)構(gòu)分析、電磁場分析、流體分析和多物理場分析為一體的專業(yè)仿真分析軟件。其中的Icepak是針對電子產(chǎn)品熱分析的專業(yè)化分析模塊。它以傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，采用有限體積法模擬設(shè)備的工作環(huán)境。具有專業(yè)的流體動力學(xué)求解器（fluent），計算精度高，能夠分析各種流體狀態(tài)。同時提供了電子設(shè)備熱分析中常用的所有組件，使得建模變得簡單。軟件還為用戶提供了材料庫、風(fēng)扇庫，調(diào)用方便，能夠解決系統(tǒng)級、印制板級、器件級的熱分析問題。

3 應(yīng)用實例

1）問題描述

某電子設(shè)備要求工作溫度55℃工作，整機(jī)耗散功率50W。布局如圖1所示。

機(jī)箱尺寸：寬×深×高＝482.6mm×450mm×88.1mm。

機(jī)箱材料：合金鋁2A12。

內(nèi)部發(fā)熱部件：電源組件（耗散功率13W），印制板底板（耗散功率12W），核心板（耗散功率25W）。

因核心板發(fā)熱器件非常集中，熱量密集，單靠后面板上的風(fēng)機(jī)吸風(fēng)散熱效果不理想，如何布置內(nèi)部風(fēng)道，對發(fā)熱器件集中風(fēng)量散熱是熱設(shè)計的關(guān)鍵問題。

2）建立模型

用ansys進(jìn)行熱分析，一般分為五個基本步驟：建立模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)定問題參數(shù)與邊界條件、求解計算和后核心。另外ansys還提供了各種電子設(shè)備的常用器件模型，可以比較方便的建立模型。

根據(jù)實際情況，前面板通風(fēng)孔采用grille模型，風(fēng)扇采用2dexhaust模型，電源采用block模型，隔板用plate模型。因電源單元有少量的通風(fēng)，在電源單元前側(cè)加一個風(fēng)阻較大的柵格（grille）進(jìn)行模擬。完整模型如圖2所示。

圖1 設(shè)備布局示意圖

建立模型后，需劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的好壞將影響計算精度和計算時間。一般來說，細(xì)網(wǎng)格模型的計算精度較高，但網(wǎng)格細(xì)化后獲得的網(wǎng)格數(shù)量急劇增加，計算時間很長。為此，我們盡量以粗網(wǎng)格劃分模型，對薄板，薄壁部分進(jìn)行細(xì)化核心，以達(dá)到較為理想的網(wǎng)格。

3）求解計算

在求解計算之前，還需設(shè)定環(huán)境溫度，迭代次數(shù)，檢查雷諾數(shù)等。運(yùn)行Solutionsettings／Basic settings，點擊 Reset，在信息窗口得到Reynolds數(shù)和Pelect數(shù)分別為38219和27245，說明計算出的雷諾數(shù)在紊流范圍內(nèi)。調(diào)整初始設(shè)置為紊流，環(huán)境溫度為55℃，迭代次數(shù)為100，計算結(jié)果的收斂情況如圖3所示。

圖2 熱分析模型圖

圖3 計算結(jié)果收斂示意圖

4）后核心

后核心顯示諸如最高溫度、流速及溫度場分布等數(shù)據(jù)，從而幫助設(shè)計和分析人員迅速了解和評估設(shè)計方案，決定是否需要修改設(shè)計模型，以便得到更為合理的設(shè)計方案。圖4、圖5是以上計算結(jié)果的溫度分布圖和氣流速度矢量圖。

從溫度分布圖中發(fā)現(xiàn)，器件的最高溫度達(dá)到191℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于允許值80℃。從流場分析圖中發(fā)現(xiàn)，工作時風(fēng)是均勻地流過機(jī)箱內(nèi)部，但過于分散，需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

圖4 溫度分布圖

圖5 氣流速度矢量圖

5）方案優(yōu)化

根據(jù)以上分析結(jié)果，又做了方案二，首先重新選定風(fēng)機(jī)，重新選擇38mm的加厚風(fēng)機(jī)，風(fēng)量較大；其次在機(jī)箱內(nèi)部加裝隔板，并發(fā)熱器件相對應(yīng)的位置開通風(fēng)孔，迫使風(fēng)從發(fā)熱器件部位集中通過，形成風(fēng)道。

如圖6所示，方案三又在方案二的基礎(chǔ)上將隔板通風(fēng)孔改為風(fēng)機(jī)，增大風(fēng)流速度。如圖7所示。

圖6 方案二示意圖

圖7 方案三示意圖

6）優(yōu)化后結(jié)果分析

圖8 方案二的溫度分布圖

根據(jù)優(yōu)化方案二，修改模型，重新劃分網(wǎng)格，求解計算后溫度分布如圖8所示，器件最高溫度下降到103.15℃，依然高出器件溫度極限。根據(jù)優(yōu)化方案三，修改模型，求解計算后器件最高溫度下降到100.5℃，與方案二相差不大。至此調(diào)整風(fēng)道已不能滿足設(shè)計要求。

為了進(jìn)一步降低器件溫度，在集中發(fā)熱器件上加裝一個散熱器，利用傳導(dǎo)使熱量迅速傳遞到散熱器中，增大了散熱面積。通過計算，器件的最高溫度下降到77.8℃，滿足使用要求。溫度分布和氣流分布如圖9、圖10所示。

圖9 方案二優(yōu)化后的溫度分布圖

圖10 方案二優(yōu)化后的氣流分布圖

7）實測結(jié)果比較

按照以上的設(shè)計方案，生產(chǎn)了兩套樣機(jī)，對兩套樣機(jī)通過55℃高溫試驗，設(shè)備運(yùn)行良好，無器件過溫超負(fù)荷現(xiàn)象。充分說明了ansys軟件仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

應(yīng)用ansys軟件熱分析功能，電子設(shè)備可以快速而準(zhǔn)確地得到系統(tǒng)的熱設(shè)計分析結(jié)果，模擬出設(shè)備的溫度場分布，從而使設(shè)計者對設(shè)備的散熱能力有直觀、準(zhǔn)確的了解，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題并予以修改，使其能夠滿足設(shè)計要求。

ansys軟件熱分析功能與電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計有機(jī)地結(jié)合起來，從而真正意義上提高產(chǎn)品的可靠性，縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高了電子設(shè)備的可靠性，同時避免了生產(chǎn)模擬散熱時的不必要的零件，節(jié)約了成本。

［1］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2005：125-143.

［2］謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計［M］.南京：東南大學(xué)出版社，1989：105-123.

［3］電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊［S］.北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1992：58-76.

［4］龔維蒸，張裕容，戎磊.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)［M］.南京：東南大學(xué)出版社，1994：67-84.

［5］南京工學(xué)院.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1981：10-26.

［6］王健石.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：299-348.

［7］尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例實用［M］.北京：中國水利水電出版社，2006：225-245.

［8］龔維蒸.無線電設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1983：32-57.

［9］王健石，胡克全，吳傳志.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1993：128-210.

［10］博加科技.有限元分析軟件—ANSYS融會與貫通［M］.北京：中國水利水電出版社，2002：307-328.