阮 健

(同方電子科技有限公司,九江 332007)

0 引 言

為適應(yīng)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。如果發(fā)熱器件的熱量不能及時散發(fā)出去,熱量就會不斷積累,這將導(dǎo)致設(shè)備可靠性大大降低,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)計是利用傳熱學(xué)的大量公式和表格,進(jìn)行計算分析或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得,計算量大,且不能得到詳細(xì)的解。利用Ansys專業(yè)分析軟件進(jìn)行仿真分析,能夠獲得較為真實(shí)的數(shù)據(jù),為產(chǎn)品熱設(shè)計提供有力的參考依據(jù)。

1 熱分析軟件的特點(diǎn)

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,計算精度高,能夠分析各種流體狀態(tài);同時它還提供了電子設(shè)備熱分析中常用的所有組件,使得建模變得簡單。Ansys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。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 問題描述

某電子設(shè)備要求工作溫度55℃,整機(jī)耗散功率50 W,布局如圖1所示。機(jī)箱尺寸:寬×深×高=420 mm×450 mm×88 m。機(jī)箱材料:防銹鋁5A06。內(nèi)部發(fā)熱部件:電源單元(耗散功率18 W),印制母板(耗散功率12 W),接口板(功率較小),處理板(耗散功率20W)。因處理板發(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。

圖1 設(shè)備布局示意圖

2.2 建立模型

利用Ansys進(jìn)行熱分析,一般分5個步驟:建立模型;劃分網(wǎng)格;設(shè)定問題參數(shù)和邊界條件;求解計算;后處理。Ansys提供了各種電子設(shè)備的常用器件模型,可較方便地建立模型。根據(jù)實(shí)際情況,前面板通風(fēng)孔采用柵格模型,風(fēng)扇采用2d exhaust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)阻較大的柵格進(jìn)行模擬。完整模型如圖2所示。

圖2 熱分析模型圖

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,盡量以粗網(wǎng)格劃分模型,對薄板、薄壁部分進(jìn)行細(xì)化處理,以達(dá)到較為理想的網(wǎng)格。

2.3 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 Solution settings/Basic settings,點(diǎn)擊Reset,在信息窗口得到 Reynolds數(shù)和Pelect數(shù)分別為37942和26882,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3 計算結(jié)果收斂示意圖

2.4 后處理

后處理顯示諸如最高溫度、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。

圖4 溫度分布圖

圖5 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,過于分散,需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

2.5 方案優(yōu)化

根據(jù)以上分析結(jié)果,做了方案2,首先重新選定風(fēng)機(jī),選擇YM系列38 mm厚的風(fēng)機(jī),風(fēng)量較大。其次在機(jī)箱內(nèi)部加裝隔板,并在發(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3在方案2的基礎(chǔ)上將隔板通風(fēng)孔改為風(fēng)機(jī),如圖7所示。

圖6 方案2示意圖

圖7 方案3示意圖

2.6 優(yōu)化后結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化方案2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℃,依然高出器件溫度極限。

圖8 方案2的溫度分布圖

根據(jù)優(yōu)化方案3,修改模型,求解計算后器件最高溫度下降到101℃,與方案2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,在每個發(fā)熱器件上加裝1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℃,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2優(yōu)化后的溫度分布圖

圖10 方案2優(yōu)化后的氣流分布圖

2.7 實(shí)測結(jié)果比較

此設(shè)備通過55℃高溫試驗(yàn),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。

3 結(jié)束語

應(yīng)用Ansys軟件強(qiáng)大的熱分析功能,在電子設(shè)備設(shè)計過程中通過模擬分析,設(shè)計師在設(shè)計階段就能預(yù)測到各元器件的工作溫度和設(shè)備內(nèi)部氣流分布情況。經(jīng)過改變各種設(shè)計參數(shù),不斷地改進(jìn)設(shè)計,糾正不合理的布局,找到最佳的設(shè)計方案,從而對電子設(shè)備進(jìn)行有效的熱控制,縮短了設(shè)計的研制周期,提高了電子設(shè)備的可靠性,同時避免了生產(chǎn)昂貴的實(shí)際樣機(jī),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.

[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.

[3]付桂翠,高澤溪,方志強(qiáng),高航.電子設(shè)備熱分析技術(shù)研究[J].電子機(jī)械工程,2004,20(1):13-16.