王春未 張義芳 王 云 周 路
(北京全路通信信號研究設計院有限公司,北京 100073)
隨著鐵路的高速發(fā)展,鐵路對電源屏提出了越來越高的要求。高度集成的IC電路系統(tǒng)放置于電源模塊中,使得新型電源屏具有高可靠性、高效率、高安全性、網(wǎng)絡監(jiān)控等優(yōu)點。但是高度集成的電路系統(tǒng)、模塊的小型化以及狹小的機箱空間等,造成IC非常高的熱流密度。目前,IC的表面熱流密度高達10×4~10×5 W/m2量級,并且有繼續(xù)增加的趨勢。熱量的不斷累積,勢必使電路內(nèi)部溫度過高,容易導致電路失效;另外,高溫也會大大縮短IC的壽命,因此電源模塊的過熱問題越來越突出。開發(fā)人員必須采用合理的冷卻方式,優(yōu)化電源模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局,以保證IC模塊處于合理的工作溫度,大大提高電源屏系統(tǒng)的熱可靠性。
新型智能電源屏結(jié)構(gòu)復雜,使用傳統(tǒng)的熱設計方法已經(jīng)不能有效準確地預測電源模塊的溫度。而基于計算流體動力學和數(shù)值傳熱學的熱仿真技術能夠滿足目前的熱設計,特別隨著商用熱仿真軟件的完善,采用熱仿真軟件對電子產(chǎn)品進行溫度預測得到了越來越廣泛的應用。借助熱仿真手段,可大大縮短研發(fā)周期,降低試驗成本,提高產(chǎn)品的一次性成功率。
本文以智能電源屏系統(tǒng)中的智能監(jiān)控器模塊為例,采用Ansys Icepak對智能監(jiān)控器模塊的不同散熱結(jié)構(gòu)進行仿真分析,優(yōu)化智能監(jiān)控器模塊的結(jié)構(gòu),對智能監(jiān)控器模塊的研發(fā)設計具有很好的指導意義。
智能監(jiān)控器模塊包括以下器件:前側(cè)顯示屏、殼體、75 W電源(熱耗為3.5 W)、2個50 W電源(熱耗為2.5 W)、控制PCB板及各IC、后置連接器及母板,總熱耗為20.1 W。其中PCB板是6層板,外殼材料為鋁型材。忽略幾何模型中倒角、螺絲螺母等小特征,得到適合CAE熱仿真需要的幾何模型。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
由于自然冷卻成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高,因此智能監(jiān)控器模塊的散熱方式選擇自然冷卻(需要考慮傳導、對流及輻射換熱)。工作環(huán)境為20℃,模塊外殼采用陽極氧化的表面處理方式,其發(fā)射率為0.8。模塊的上下蓋板具有相同的尺寸以及開孔率。第一種方案為:開孔孔徑為9 mm,開孔個數(shù)為15×10,開孔率為0.152 6;第二種方案為:開孔孔徑5 mm,開孔個數(shù)為31×21,開孔率為0.204 4。首先比較不同開孔率監(jiān)控器模塊電源散熱特性的影響。
根據(jù)電子產(chǎn)品熱仿真的要求,采用Ansys公司的Designmodeler軟件將三維CAD幾何模型導入Ansys Icepak,建立合理的熱路模型,其熱仿真模型如圖2所示。
在Ansys Icepak中對建立的熱仿真模型劃分合理的網(wǎng)格,設置自然冷卻的邊界條件,軟件會自動求解Navier-Stokes方程。圖3為主控制板的溫度分布云圖,從圖3中可以看出,方案一比方案二高0.1℃左右。
圖4為3個監(jiān)控器模塊的溫度分布云圖,經(jīng)過比較,可以發(fā)現(xiàn),方案一比方案二高0.24℃。這主要是由于方案二開孔率稍大,使得氣流可以較好地冷卻三個電源。
圖5為切面的速度矢量圖,可以看出,機箱四周空氣在自然冷卻作用下,從下往上流動。根據(jù)方案一、二的計算結(jié)果,機箱上下殼體選擇方案二的結(jié)構(gòu),開孔個數(shù)為31×21。
由于監(jiān)控器模塊被放置于電源屏系統(tǒng)中,其周圍的熱環(huán)境比較惡劣,為了保證電源模塊的熱可靠性,現(xiàn)需要對主控制板進行優(yōu)化設計。自然冷卻是完全靠冷熱空氣的密度不同而引起外部空氣的流動,因此空氣與器件間的換熱系數(shù)比較低。因此在自然冷卻狀態(tài)下,只能增大器件與空氣的接觸面積,才能更好地將器件的溫度降低,以提高器件的熱可靠性。
根據(jù)主控制板的尺寸及模塊內(nèi)部的空間要求,現(xiàn)提出如下設計方案。
方案三:在方案二的基礎上,主控制板上安裝一鋁散熱板,與CPU等器件接觸的一面被洗出部分凸臺,在此散熱板與器件間,涂抹相應的導熱膏,以減小器件與散熱板的接觸熱阻。
方案四:在方案三的基礎上,增加一散熱器,以有效降低CPU的溫度。其中散熱器尺寸為基板4 mm,共12個翅片,每個翅片厚2 mm,翅片高度為21 mm。
同樣,通過Ansys Designmodeler和Ansys Icepak建立正確合理的熱仿真模型,對監(jiān)控器機箱進行求解,可以得到方案三、四的計算結(jié)果,如圖6,圖7,圖8所示。由于主控制板熱率較大,又處于監(jiān)控器機箱后側(cè),不易被空氣冷卻,因此主要比較主控制板的溫度分布。
從圖3和圖6可以看出,方案三比方案二的溫度降低了14.65℃左右,主要是因為鋁散熱板可以有效地將CPU、FPGA、PCI等器件的熱量通過傳導、輻射換熱及自然對流的方式散發(fā)到空氣中,增大了散熱面積,有效地降低了器件的溫度。從圖7可以看出,方案四比方案三的溫度降低了5.03℃左右,主要是散熱板外加的散熱器導致的,一方面增大了輻射換熱與對流的換熱面積,另一方面,散熱器的槽形結(jié)構(gòu)導致器件與空氣的對流換熱系數(shù)增大,可有效地降低器件的溫度。圖8所示為機箱外殼的溫度分布。
在智能監(jiān)控器模塊的預研階段,通過使用Ansys Icepak對其進行了熱仿真,主要比較了不同開孔率對整體模塊的散熱影響;由于主控制板熱耗較大,為提高其熱可靠性,對其進行了不同方案的優(yōu)化設計,通過相應的熱仿真,可以看出,方案四的主控制板最高溫度為48.8℃,與原始方案比較,降低了約19.67℃。
因此,在電子產(chǎn)品的預研階段,使用專業(yè)的電子產(chǎn)品熱仿真軟件Ansys Icepak可以有效地指導結(jié)構(gòu)工程師對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,提高產(chǎn)品熱設計的效率和質(zhì)量,大大節(jié)約成本和時間,以提高產(chǎn)品的熱可靠性。