基于某型光端機(jī)的熱仿真與熱測(cè)試對(duì)比研究

劉霄海，王志勇，尹鈺田

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著電子設(shè)備形態(tài)以及功能的飛速演變，熱功率密度不斷提升，溫度問(wèn)題日漸凸顯，這對(duì)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求。熱仿真技術(shù)在其中扮演著重要的角色，被越來(lái)越頻繁地應(yīng)用到電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)過(guò)程中[1]。熱設(shè)計(jì)工程師主要是通過(guò)對(duì)已設(shè)計(jì)的設(shè)備樣機(jī)進(jìn)行散熱性能仿真分析，并根據(jù)仿真分析結(jié)果提出熱設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。因此，熱仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響到熱優(yōu)化效果[2]。本研究以某型光端機(jī)為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析，驗(yàn)證該型光端機(jī)熱仿真模型的準(zhǔn)確性及仿真結(jié)果的可指導(dǎo)性，為后續(xù)電子設(shè)備的熱仿真分析與結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型

某型號(hào)光端機(jī)主要由箱體、電源模塊、業(yè)務(wù)板組件組成。其中，箱體外形尺寸為482.60 mm×430 mm×88 mm，包含前面板，后框架散熱器、底板、左右側(cè)板及蓋板等，均由鋁合金銑制加工而成；電源模塊通過(guò)螺釘直接固定在后框架散熱器上；業(yè)務(wù)板組件由上業(yè)務(wù)板、下業(yè)務(wù)板、導(dǎo)熱金屬板組成，上下業(yè)務(wù)板分別安裝在導(dǎo)熱板正反兩面，如圖1所示。

通過(guò)對(duì)設(shè)備器件進(jìn)行分析，其主要熱源分布在電源模塊及下業(yè)務(wù)板上，熱量直接傳導(dǎo)或通過(guò)導(dǎo)熱金屬板傳導(dǎo)到后框架散熱器上，最后由后框架散熱器的散熱翅片利用自然對(duì)流散出。

圖1 某型號(hào)光端機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2 光端機(jī)熱仿真分析

2.1 光端機(jī)熱仿真模型建立

根據(jù)該光端機(jī)的構(gòu)型，將建模完成的機(jī)箱CAD數(shù)字樣機(jī)導(dǎo)入到ANSYS-SCDM中，為提高軟件計(jì)算工作效率，在保證分析精度的前提下，對(duì)球上數(shù)字光端機(jī)的部分結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，刪除了部分不相關(guān)器件，略去螺釘、螺母、圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細(xì)節(jié)及小插件。簡(jiǎn)化后用于仿真分析的光端機(jī)三維模型如圖2所示。

圖2 光端機(jī)簡(jiǎn)化后模型

2.2 熱耗及材料參數(shù)確定

該型光端機(jī)主要熱源分布在下業(yè)務(wù)板和電源模塊上。下業(yè)務(wù)板上各熱耗器件通過(guò)導(dǎo)熱墊與導(dǎo)熱板直接接觸，其布局及熱耗信息如圖3所示。電源模塊熱耗為30 W，通過(guò)導(dǎo)熱墊直接與機(jī)箱后框架散熱器接觸。光端機(jī)部分材料參數(shù)如表1所列。

圖3 發(fā)熱器件的布局及熱耗信息

表1 光端機(jī)各部分材料參數(shù)

2.3 仿真分析及結(jié)果

利用Icepak熱仿真軟件采用瞬態(tài)分析法對(duì)光端機(jī)進(jìn)行熱仿真分析，初始環(huán)境環(huán)境溫度設(shè)為20℃，空氣設(shè)為自然對(duì)流，同時(shí)在6處較為關(guān)心的位置設(shè)溫度探測(cè)點(diǎn)。計(jì)算得出光端機(jī)的溫度分布及各個(gè)探測(cè)點(diǎn)在3600 s內(nèi)的溫度變化情況，圖4為光端機(jī)的溫度分布云圖，圖5為各溫度探測(cè)點(diǎn)位置分布及其在3600 s內(nèi)的溫度變化曲線。由溫度分布云圖及溫度變化曲線可以看出：各探測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化逐漸上升；設(shè)備最高溫位于電源模塊表面及下業(yè)務(wù)板離機(jī)箱后框架散熱器較遠(yuǎn)處的發(fā)熱芯片表面，約為39.95℃；電源模塊直接固定在散熱翅片上，導(dǎo)致局部溫度快速上升，但分布較為均勻；導(dǎo)熱板溫度梯度從與散熱器連接的位置向遠(yuǎn)端呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，符合實(shí)際情況。

圖4 光端機(jī)的溫度云圖

圖5 各溫度探測(cè)點(diǎn)位置分布及其在3600s內(nèi)的溫度變化曲線

3 熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究

3.1 熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及搭建

為了驗(yàn)證上述熱仿真分析及計(jì)算得到的光端機(jī)溫度分布能否真實(shí)反映該工況條件下的熱特性，采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和由Pt100溫度傳感器構(gòu)成的溫度測(cè)量系統(tǒng)，完成了電子設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和環(huán)境溫度為20℃條件下的熱平衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。該型光端機(jī)環(huán)境熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和設(shè)備裝置圖見(jiàn)圖6。

由于設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，各熱耗器件的功率并不是完全與指標(biāo)一致，考慮到本次研究主要為驗(yàn)證熱仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要過(guò)濾掉由于輸入條件與實(shí)際情況不一致產(chǎn)生的誤差，同時(shí)為了便于熱測(cè)試工作的開展，實(shí)驗(yàn)中采用不同規(guī)格型號(hào)聚酰亞胺加熱膜作為熱源模擬設(shè)備發(fā)熱。將一組不同規(guī)格型號(hào)的加熱膜分別粘貼在與下業(yè)務(wù)板發(fā)熱器件、電源模塊所接觸的導(dǎo)熱凸臺(tái)處，如圖7所示。

圖7 聚酰亞胺加熱膜黏貼示意圖

使用三路直流電源為加熱膜供電，輸出電壓分別設(shè)置為3.7 V、5 V、24 V，以使不同規(guī)格型號(hào)的聚酰亞胺加熱膜產(chǎn)生與器件指標(biāo)相同的熱耗，見(jiàn)表2。

表2 部分規(guī)格聚酰亞胺加熱膜對(duì)應(yīng)熱耗

在與熱仿真探測(cè)點(diǎn)相同的位置處分別布置6個(gè)溫度實(shí)測(cè)點(diǎn)，其中5號(hào)實(shí)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在機(jī)箱側(cè)壁上，6號(hào)實(shí)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在電源模塊處，其余實(shí)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在下業(yè)務(wù)板發(fā)熱器件處。

3.2 熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將熱測(cè)試時(shí)間設(shè)置為3 600 s，從而獲得該時(shí)段內(nèi)各個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，形成溫度變化曲線，如圖8所示。

圖8 熱測(cè)試各實(shí)測(cè)點(diǎn)在3600s內(nèi)的溫度變化曲線

4 熱仿真與熱測(cè)試結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證熱仿真模型的準(zhǔn)確性及仿真參數(shù)設(shè)定的合理性，利用Excel數(shù)據(jù)處理軟件將上述光端機(jī)仿真探測(cè)點(diǎn)與熱測(cè)試對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并擬合，獲得6組溫度隨時(shí)間變化對(duì)比曲線，如圖9所示。

從圖9可以看出，6組測(cè)試點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度曲線與仿真溫度曲線存在一定的偏差，但兩者的溫升趨勢(shì)大致一致。通過(guò)各組測(cè)溫點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，大部分測(cè)試點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度在不同時(shí)刻的偏差均在±3℃以內(nèi)。這在一定程度上驗(yàn)證了熱仿真模型的準(zhǔn)確性和仿真參數(shù)設(shè)定的合理性，但還存在一定的偏差，造成偏差的可能原因如下：

（1）測(cè)溫探頭本身特性及安裝固定可能存在差異，造成測(cè)量誤差。

（2）仿真設(shè)置的環(huán)境與材質(zhì)參數(shù)一般為理想值，實(shí)際環(huán)境與材質(zhì)的性能存在一些非線性因素，很難完全吻合。

圖9 測(cè)溫點(diǎn)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

因此，后續(xù)仍然需要改進(jìn)測(cè)溫手段，并通過(guò)更加大量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析迭代仿真參數(shù)，才能獲得更精確的仿真結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)搭建整機(jī)瞬態(tài)熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)整機(jī)工作時(shí)的瞬時(shí)溫度進(jìn)行測(cè)試。在同種工況下，將仿真數(shù)據(jù)與熱測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證熱仿真模型的準(zhǔn)確性及可指導(dǎo)性。結(jié)果表明，熱學(xué)仿真模型比較準(zhǔn)確可靠，仿真結(jié)果具備參考價(jià)值，能指導(dǎo)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)，但與實(shí)際測(cè)量結(jié)果仍然存在差異，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證產(chǎn)品可靠性，應(yīng)留有足夠的設(shè)計(jì)余量。