劉 恒,張學(xué)新,陳正江

(中國電子科技集團(tuán)第三十研究所,四川成都610041)

基于Icepak的通信電子設(shè)備熱設(shè)計及優(yōu)化*

劉 恒,張學(xué)新,陳正江

(中國電子科技集團(tuán)第三十研究所,四川成都610041)

本文結(jié)合通信電子設(shè)備工程實際,闡述了基于Icepak的通信電子設(shè)備熱設(shè)計及優(yōu)化的過程,探索了一種仿真計算與優(yōu)化驗證的熱設(shè)計方法。文中通過初步計算選擇合理的散熱方式及確定散熱布局,并詳細(xì)介紹了利用Icepak軟件對散熱布局進(jìn)行仿真計算的過程和散熱器的參數(shù)化及優(yōu)化設(shè)計過程。這種基于Icepak的熱設(shè)計方法能明顯提高設(shè)計效率,解決工程實際問題,對于通信電子設(shè)備的熱設(shè)計具有參考意義。

通信電子設(shè)備 Icepak軟件 熱設(shè)計 仿真計算 優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,芯片的集成度越來越高,再加上高密度組裝技術(shù)的應(yīng)用,使得通信電子設(shè)備功能更加強(qiáng)大,體積反而變小,熱流密度不斷增加,散熱問題十分突出。據(jù)統(tǒng)計,電子設(shè)備的失效有55%因高溫導(dǎo)致,隨著溫度的升高,其失效率成指數(shù)形式增長[1]。為保證通信電子設(shè)備能夠在溫差大、海拔高、長期缺少維護(hù)的環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作,如何有效的散熱就必不可少。熱設(shè)計就是研究如何通過合理散熱的方式,將電路模塊產(chǎn)生的熱量傳遞到空氣中。傳統(tǒng)的設(shè)計方法就是通過經(jīng)驗公式進(jìn)行數(shù)值計算,在對主要參數(shù)進(jìn)行校驗,再以實物設(shè)備進(jìn)行測試驗證,設(shè)計周期長,精準(zhǔn)度低,為后期使用埋下隱患。Icepak軟件可以通過仿真模擬通信電子設(shè)備的空氣流場,計算電路模塊的溫度,也能夠參數(shù)化設(shè)計,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供重要參考。

本文結(jié)合工程實際,利用Icepak軟件對某通信電子設(shè)備進(jìn)行仿真計算、并對重點(diǎn)發(fā)熱單元的散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 Icepak簡介

Icepak軟件由全球最優(yōu)秀的計算流體力學(xué)軟件提供商Fluent公司,專門為電子產(chǎn)品定制開發(fā)的專業(yè)電子熱分析軟件[2],它能夠夠?qū)﹄娮赢a(chǎn)品的傳熱,流動進(jìn)行模擬,可以實現(xiàn)元件級、部件級、模塊級和系統(tǒng)級的熱分析。Icepak采用FLUNET計算流體力學(xué)求解器,軟件擁有豐富的模型庫如:風(fēng)扇、塊、PCB、散熱器、過濾網(wǎng)、通孔,能夠?qū)崿F(xiàn)快速建模;擁有先進(jìn)的網(wǎng)格技術(shù),支持四面體、六面體以及混合網(wǎng)格,可以生成高質(zhì)量的計算網(wǎng)格;支持參數(shù)化設(shè)計,對變量進(jìn)行參數(shù)化控制實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)、不同工況下的分析計算,達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的;具有強(qiáng)大的解算能力和可視化的后處理能力。

2 總體方案

該設(shè)備安裝在長期缺少維護(hù)的無人值守站點(diǎn),環(huán)境溫度為-10～45°C,要求成本低、可維修性強(qiáng)、可靠性高。綜合考慮以上多種因素,并結(jié)合功能需求、人機(jī)工程和使用對象等要素,采用模塊化的設(shè)計思路,形成總體方案。

機(jī)箱的尺寸為L×W×H=440 mm×425 mm× 173 mm(不含把手和連接器),內(nèi)部安裝有11個電路單元,其中1～9#為系統(tǒng)單元,10～11#為電源單元,通過背板實現(xiàn)電氣互聯(lián)。10～11#電路單元完全相同,采用的冗余設(shè)計,只有其中一個單元滿載工作。

2.1 熱設(shè)計分析

設(shè)備的總功耗為264 W,熱功耗為114 W(按照兩個電源單元均滿載工作計算),要保證良好的熱性能,就必須選擇合適的散熱方式。一般來說,電子設(shè)備的或元器件的常見散熱方式有:自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、直接液冷和蒸發(fā)冷卻等[3]。散熱方式的選擇可以依據(jù)表面散熱功率密度。設(shè)備的表面散熱功率密度為0.017 W/cm2,對應(yīng)圖1可知,可以選擇自然散熱,但必須優(yōu)化設(shè)計。

考慮設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性,常規(guī)電子元器件就選用工作溫度范圍達(dá)到-10～85°C之間即可,而關(guān)鍵部位的電源模塊則需要選用工作溫度范圍在-20～90°C之間。考慮到使用環(huán)境的特殊性和維修性要求,決定選用自然散熱作為散熱方式。

圖1 表面散熱功率密度(W/cm2)Fig.1 Superficial thermal-power density

2.2 結(jié)構(gòu)布局

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,全面考慮內(nèi)部空間、自然散熱、低成本和工藝性等因素,將設(shè)備設(shè)計成由底座、上蓋和面板3部分組合而成的結(jié)構(gòu)形式,底座內(nèi)安裝固定背板和各功能單元的框架,兩側(cè)開設(shè)散熱孔,上蓋和面板可拆卸,如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)布局Fig.2 Structural layout

3 熱設(shè)計

自然散熱的傳熱途徑是將內(nèi)部電子元器件和印制板組裝件通過傳導(dǎo)、對流和輻射等方式傳向機(jī)殼,再由機(jī)殼通過對流和輻射將熱量傳至周圍介質(zhì),達(dá)到散熱的目的。自然散熱的方式主要有傳導(dǎo)、對流和輻射,理論推導(dǎo)和計算十分復(fù)雜。

熱傳導(dǎo)的基本定律就是傅里葉定律,向量表達(dá)式如式(1)所示。

式中:k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·℃)),A為導(dǎo)熱方向上的截面積(m2),為溫度在n方向上的導(dǎo)數(shù)。

對流換熱過程中傳遞的能量用牛頓方程來定義,數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(2)所示。

式中:hc為換熱系數(shù)(W/(m2·℃)),A為換熱面積(m2),tf為流體溫度(℃),tw為固體壁面溫度(℃)。

輻射換熱量采用斯蒂芬—玻爾茲曼定律計算,數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(3)所示。

式中:ε為發(fā)射率,σ為斯蒂芬—玻爾茲曼系數(shù),A1為輻射面1的面積(m2),f1-2為輻射面1對輻射面2的角系數(shù),t1、t2為分別為輻射面1、2的表面溫度(℃)。

由上述3種復(fù)雜的表達(dá)式可以看出,提高電子設(shè)備自然散熱的能力可以從傳熱途徑入手,主要有3個方面:①盡量降低傳熱路徑各環(huán)節(jié)的熱阻,形成一條低熱阻熱流通路[4];②提高機(jī)殼能外表面的黑度,增強(qiáng)輻射效率;③開設(shè)通風(fēng)孔,充分利用冷卻空氣的對流作用。要想在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就達(dá)到良好的散熱性能,可以借助專業(yè)的Icepak熱分析軟件來提高設(shè)計準(zhǔn)確度和設(shè)計效率。

3.1 建立仿真模型

利用Icepak軟件的進(jìn)行建模時,需要簡化機(jī)箱模型,去除對仿真結(jié)果影響不大的要素。Icepak軟件帶有豐富的模型庫,利用Cabinet/opening/blocks/ PCB/heat_sinks/grille/assemblies等命令,分別創(chuàng)建計算域/機(jī)殼/發(fā)熱芯片/電路板/散熱器/通風(fēng)孔/裝配體的物理模型,并設(shè)定輪廓尺寸、定位尺寸和物理特性。

自然散熱狀態(tài)下,Cabinet的尺寸一般按照外邊界到模型外壁距離在重力正方向上為2H,負(fù)方向為H,外邊界到模型外壁兩側(cè)距離均為L/2,外邊界到模型外壁前后距離為W/2。PCB需要依據(jù)電路板的實際情況設(shè)定層數(shù)、銅箔覆蓋率、銅箔厚度。heat _sinks采用簡單模型,肋片豎直分布,提高計算效率。grille需要根據(jù)實際特征設(shè)定通風(fēng)率。利用assemblies命令將各功能單元組成裝配體,設(shè)定網(wǎng)格邊界,裝配體在網(wǎng)格劃分時,能自行加密,保證計算更加準(zhǔn)確,也可以提高計算的優(yōu)先級。仿真模型建立后,如圖3所示,并進(jìn)行check model。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

3.2 設(shè)定工況條件

仿真模型建立后,設(shè)置迭代步數(shù)為400,計算雷諾數(shù),判定空氣流動狀態(tài)為紊流。設(shè)置求解變量為Flow和Temperature,并計算Radiation,設(shè)定Turbulent,啟用Gravity vector。設(shè)置Ambient Temperature為45℃,Default fluid為Air,Default solid為Al-Extruded,Default surfure為Al Paint-surface。

3.3 網(wǎng)格劃分與計算

網(wǎng)格劃分是整個仿真過程中重要的環(huán)節(jié),對求解計算起到重要作用。Icepak提供的Hexa unstructured適應(yīng)于絕大部分的散熱分析。網(wǎng)格劃分完成后需要對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查,其合理范圍是Face alignment＞0.15,Quality＞0.15,Volume＞1e-12。網(wǎng)格劃分時,選定Accept“change volume”check和Mech assemblies separately,其余默認(rèn),具體網(wǎng)格劃分與質(zhì)量為Face alignment range:0.424232～1;quality range:0.175761～1;volume range:1.07686e-012～5.66199e-005。

Icepak軟件采用迭代法進(jìn)行計算,首先計算輻射的角系數(shù),設(shè)置Ref level為2,輻射計算完成后,再執(zhí)行Run solution進(jìn)行求解計算。計算流體力學(xué)求解器經(jīng)過迭代165次,x-velocity、y-velocity、z-velocity、continuity殘差達(dá)到1e-3,energy殘差達(dá)到1e -7,計算收斂。

3.4 結(jié)果分析

計算結(jié)束后,溫度云圖如圖4所示,溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在10#電源單元的DC-DC模塊上,最高溫度為88.6392℃,11#電源單元的相同模塊溫度為84. 025℃,低于90℃,其余電子元器件的最高溫度為70.2189℃,出現(xiàn)在4#系統(tǒng)單元上,遠(yuǎn)低于85℃。由于散熱器采用的是簡單模型,結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)意義不夠強(qiáng),雖然滿足溫度要求,但是為保證散熱效果更好,更多的散熱余量,需要對電源單元散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,計算出理想的特性參數(shù)。

圖4 溫度云Fig.4 Temperature cloud photograph

4 優(yōu)化設(shè)計

散熱器的優(yōu)化考慮在特定條件下的熱性能,以及工作環(huán)境對散熱性能的影響等。優(yōu)化設(shè)計中需要控制的參數(shù)有:肋片厚度(或肋間距)、肋片長度、肋片數(shù)量、肋片形狀、肋基厚度以及散熱器的材料等[4]。散熱器的優(yōu)化可以借助Icepak軟件采用參數(shù)分析法,進(jìn)行計算求解。

4.1 熱模型的建立

常用的散熱器主要有兩種:叉指型和型材。由于PCB排版和安裝限制,電源單元的散熱器應(yīng)采用型材。型材散熱器按照肋片的形狀可分為矩形肋、梯形肋、三角肋、凹拋物線肋等。其中,矩形肋的加工方法最為簡單,應(yīng)優(yōu)先考慮[5]。

10#電源單元的散熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)空間,基板的尺寸150 mm×280 mm,厚度3 mm,總高度39.5 mm,肋片厚度和數(shù)量作為變量進(jìn)行參數(shù)化仿真計算,目標(biāo)函數(shù)為全局最低溫度,順便計算對應(yīng)的熱阻、質(zhì)量和DCDC模塊溫度,參數(shù)如表1所示。

表1 10#電源單元散熱器參數(shù)表Table 1 Heatsink parameters of No.10 power unit

根據(jù)表1設(shè)定電源單元散熱器的參數(shù)、設(shè)定參數(shù)化選項卡、定義目標(biāo)函數(shù)tmp為Min Value。

4.2 優(yōu)化計算及結(jié)果

參數(shù)化計算結(jié)束后,結(jié)果如表2所示,第4組數(shù)據(jù),當(dāng)Finc=33,Fint=7.6 mm時,熱阻為0.8363℃/ W,全局溫度為82.33℃,10#電路單元上DC-DC模塊最高溫度為72.28℃,說明熱阻最小時,溫度也最低,全局溫度最高點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到11#電源單元的DC -DC模塊上。

表2 優(yōu)化計算結(jié)果Table 2 Optimized results

雖然第4組數(shù)據(jù)溫度上為最優(yōu),但是和第3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比,全局溫度降低0.29℃,但是散熱器的質(zhì)量卻增加了39.77%?？紤]加工因素、成本等,在實際工程應(yīng)用上,第4組數(shù)據(jù)并不是最理想的,而第3組數(shù)據(jù)最為理想。由于10～11#電源單元為相同的電源單元,為驗證優(yōu)化后的散熱器的散熱效果,按照第3組數(shù)據(jù)設(shè)定散熱器參數(shù),并進(jìn)行仿真計算,經(jīng)過185步迭代運(yùn)算,殘差收斂,溫度云圖如圖7所示,全局溫度最高出現(xiàn)在10#電源單元DC -DC模塊上,最高溫度為73.259℃,11#電源單元DC-DC模塊最高溫度為71.4674℃,與優(yōu)化前相比,全局溫度和10#電源單元DC-DC模塊溫度降低了15.3802℃,11#電源單元DC-DC模塊溫度降低了12.5576℃,效果明顯,符合要求散熱要求。

圖5 優(yōu)化后的溫度云Fig.5 Optimized temperature cloud photograph

5 結(jié) 語

對于可靠性要求高、使用環(huán)境特殊的通信電子設(shè)備,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,利用Icepak軟件對散熱方案,進(jìn)行分析評估,確認(rèn)可行性,并對重點(diǎn)部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,在對參數(shù)化優(yōu)化仿真的結(jié)果進(jìn)行選擇時,既要關(guān)注溫度指標(biāo),又要注意質(zhì)量、加工工藝性、成本等相關(guān)因素,綜合考慮選擇最均衡的方案。本次熱設(shè)計的整個過程表明,Icepak軟件在熱設(shè)計不僅能夠減少不必要的理論計算,也消除理論計算的誤差,能夠縮短開發(fā)周期,真正提高產(chǎn)品的可靠性,降低成本。

[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.

QIU Cheng-ti,ZHAO Dun-shu,JIANG Quan-xing. Design Principle of Electronic Equipment Structure[M]. Nanjing:Southeast University Press,2005.

[2] 吳圣陶,曾柯杰,劉恒.接觸熱阻的計算及ICEPAK環(huán)境下的數(shù)值模擬[J].通信技術(shù),2013,46(01):101-104.

WU Sheng-tao,ZENG Ke-jie,LIU Heng.Computing Model and Numerical Simulation of Thermal Contact Resistance[J].CommunicationsTechnology,2013, 46(01):101-104.

[3] 劉忠紅.一種機(jī)載電子設(shè)備的熱設(shè)計與熱性能測試[J].電子計算機(jī)與外部設(shè)備,1997,21(01):1-3.

LIU Zhong-hong.Thermal Design and Performance Measurement of An Airborne Electronic Equipment[J]. Electronic Computer and Peripheral Equipment,1997, 21(01):1-3.

[4] 趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

ZHAO Dun-shu.Thermal Design for Electronic Equipment[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009.

[5] 景莘慧,陳文鑫.大功率電源模塊的散熱設(shè)計[J].電子機(jī)械工程,2003,19(01):28-30.

JING Shen-hui,Chen Wen-xin.Thermal Design of Heat Sink for a Large-power Supply Module[J].Electro-Mechanical Engineering,2003,19(01):28-30.

LIU Heng(1980-),male,B.Sci.,mainly working at structural design of military electronic equipment.

張學(xué)新(1979—),男,學(xué)士,主要研究方向為軍用電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計;

ZHANG Xue-xin(1979-),male,B.Sci.,mainly working at structural design of military electronic equipment.

陳正江(1977—),男,碩士研究生,主要研究方向為軍用電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計。

CHEN Zheng-jiang(1977-),male,graduate student,mainly working at structural design of military electronic equipment.

Thermal Design and Optimization for Communication Electronic Equipment Based on Icepak

LIU Heng,ZHANG Xue-xin,CHEN Zheng-jiang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

In this paper,integrated with engineering practice of communication electronic equipment,the process of thermal design and optimization is discussed particularly based on Icepak and a certain method of simulation and optimization is probed carefully.First,an appropriate heat dissipation method is chosen and a kind of arrangement for thermal spilling out is identified by preliminary calculating.By using Icepak software,the process of simulation calculation for thermal spilling out arrangement and radiator parameter optimization are introduced in detail.This thermal design based on Icepak can improve the design efficiency obviously,solve engineering problem,and provide reference value for thermal design of communication electronic equipments.

communication electronic equipment;Icepak software;thermal design;simulation calculation; optimization design

TN917

A

1002-0802(2014)09-1104-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.026

劉 恒(1980—),男,學(xué)士,主要研究方向為軍用電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計;

2014-07-21;

2014-08-26 Received date：2014-07-21;Revised date：2014-08-26