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        彈上用驅(qū)動器電路板熱仿真分析及試驗研究

        2019-11-06 09:19:02井海明張紅霞任仲強
        航天制造技術(shù) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:分析模型設(shè)計

        井海明 弭 艷 張紅霞 任仲強

        彈上用驅(qū)動器電路板熱仿真分析及試驗研究

        井海明 弭 艷 張紅霞 任仲強

        (北京航天動力研究所,北京 100076)

        彈上用驅(qū)動器電路板工作于大氣層外真空狀態(tài)下,環(huán)境溫度為-45℃~60℃??紤]環(huán)境的惡劣性,且彈上用驅(qū)動器工作時產(chǎn)生的熱量,為保障印制電路板(PCB)元器件處于正常工作的溫度范圍,進行有效的熱仿真研究十分必要。本文對某型彈上用驅(qū)動器的PCB電路板進行建模,利用以計算流體動力學(xué)(CFD)為核心的熱仿真軟件Icepak,分別進行常溫常壓及真空環(huán)境下的熱仿真分析,并通過紅外測溫儀對常溫常壓下的彈上用驅(qū)動器進行了溫度實測的試驗驗證,不僅驗證了本PCB板模型的準確性,通過仿真分析還得出,各元器件的最大溫度都在允許的工作范圍內(nèi),驗證了某型彈上用驅(qū)動器電路板熱設(shè)計的合理性。為高可靠性、多功能、高集成、適應(yīng)性強的電路板開發(fā)提供了有力保障。

        印制電路板;熱仿真;計算流體動力學(xué);Icepak

        1 引言

        彈上用驅(qū)動器具有小型化、集成化、高性能等特點,同時其工作環(huán)境惡劣且復(fù)雜,性能參數(shù)要求嚴格且多樣。因此,其熱性能對彈上用驅(qū)動器的可靠性十分重要,尤其是電子元器件,表面溫度可以影響電氣性能。溫度過低和過高,都會造成元器件的電氣性能失效,進而影響其壽命和工作可靠性。根據(jù)電子行業(yè)元器件溫度法則可知,工作溫度每上升10K,元器件的失效率會提高一個數(shù)量級。因此,PCB電路板的熱設(shè)計是保證彈上用驅(qū)動器可靠性的主要因素之一。鑒于電子產(chǎn)品熱設(shè)計的重要性,許多專家和學(xué)者對電子熱設(shè)計進行了大量的研究和論證。李琴等人利用熱仿真軟件對熱設(shè)計方案進行仿真,并與實際方案進行對比分析,驗證了熱設(shè)計方案的可行性[1]。參考文獻[2]中利用仿真軟件進行熱設(shè)計,分別記錄仿真和實測的電路板及各元器件的溫度變化,熱仿真軟件的仿真溫度和紅外測試儀的實測溫度存在很小的差別。

        利用熱仿真軟件進行電路板的熱設(shè)計已成為設(shè)計者的重要手段[3]。相比經(jīng)驗設(shè)計,通過軟件進行熱設(shè)計不僅節(jié)約大量時間,而且還可以反復(fù)驗證,避免電路板及電子元器件等原材料的浪費。同時,熱仿真軟件可應(yīng)用于產(chǎn)品的各個階段,有效的降低熱設(shè)計風(fēng)險,縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期[4]。

        2 熱設(shè)計理論和研究方法

        2.1 熱設(shè)計理論

        由熱力學(xué)第二定律可知,物體間存在溫度差,能夠形成能量的轉(zhuǎn)移,即熱傳遞。根據(jù)熱傳機理,熱傳遞有三種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射[5]。由于彈上用驅(qū)動器的工作狀態(tài)位于真空中,且處于密封環(huán)境,因此,不考慮由熱對流引起的電路板及元器件的溫度變化。

        2.1.1 熱傳導(dǎo)

        熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對位移的情況下,借助微觀粒子如原子、分子、電子等,進行熱運動,引起的熱量傳遞。由于電子元器件工作,勢必會將電能轉(zhuǎn)換成熱能。但同時又因為不同功率、不同體積、不同外觀的元器件產(chǎn)生的熱能是不一樣的,從而引起了溫度差。溫度高的元器件通過電路板將能量傳遞給溫度較低的元器件,這樣就形成了熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)過程,滿足傅里葉定律,如式(1)所示:

        其中,是熱傳導(dǎo)系數(shù),為熱傳導(dǎo)的熱量,為傳導(dǎo)面積,為兩傳導(dǎo)面之間的距離,為時間,為溫度。

        2.1.2 熱輻射

        物體由熱產(chǎn)生電磁波,將能量傳遞出去的過程稱為熱輻射。電子元器件之間不斷的發(fā)射和吸收熱輻射,同時熱輻射還有反射和透射過程。熱輻射之間的能量傳遞滿足斯特藩-玻爾茲曼定律,如式(2)所示:

        其中,為絕對溫度,為黑體的輻射系數(shù),絕對黑體=1;為斯特藩常數(shù);為輻射力。

        2.2 熱設(shè)計研究方法

        Icepak是一種專業(yè)且成熟的熱學(xué)分析和仿真軟件。依托數(shù)字計算機技術(shù)和數(shù)值分析法,能夠?qū)囟扔嬎憬Y(jié)果以圖像的形式表示出來。數(shù)字分析法結(jié)合有限元和有限差分法,遵循能量定律的情況下,建立能量轉(zhuǎn)換的微分和積分方程,并進行離散化處理,將PCB和各元器件的溫度變化轉(zhuǎn)換成有限離散點上的溫度變化[6]。通過計算這些離散點的溫度,就可以快速獲取各元器件的溫度值。

        3 電路板熱仿真實驗

        利用Icepak熱仿真電路板,先建立PCB的模型,設(shè)定主要元器件的功率參數(shù)。設(shè)置Icepak的環(huán)境參數(shù),,將建立好的模型自動劃分網(wǎng)格,然后運行求解[7]。如果求解不收斂,需要調(diào)整求解方程的迭代次數(shù)和計算步長等[7]。仿真流程如圖1所示,整個過程中最重要的是PCB模型建立和元器件參數(shù)設(shè)置。

        圖1 電路板熱仿真流程圖

        3.1 電路板建模

        精確建立彈上用驅(qū)動器的電路板模型,對熱仿真結(jié)果非常重要。以某型號彈上用驅(qū)動器電路板為模型,PCB電路板的長度為134mm、寬度為111mm、厚度為2mm,PCB板的材料是絕緣材料FR4和附銅的多層復(fù)合材料(覆銅環(huán)氧玻璃布層壓板)。通過仿真計算可知,PCB板的切向?qū)崧蕿?6.6145W(m·k),法向?qū)崧蕿?.376287W(m·k),設(shè)置PCB板和各元器件的表面材料發(fā)射率均為0.8。同等比例下,將各元器件放置在PCB板的上下層。由于各元器件的發(fā)熱情況不同,建模過程中,篩選出功率較大的元器件并建模,其它無功率或者因脈沖工作僅產(chǎn)生極小功率的元器件忽略。各元器件分別用字母代替,建模情況如圖2所示。

        圖2 PCB板建模結(jié)果

        3.2 元器件參數(shù)設(shè)置

        根據(jù)元器件的工作機理和性能參數(shù),選擇功率較大且溫度變化大的元器件建模,其功率、耐溫、材料等具體參數(shù)如表1所示。

        表1 建模元器件參數(shù)

        3.3 模型網(wǎng)格劃分

        在熱仿真實驗過程中,網(wǎng)格劃分是一個非常重要的步驟。劃分的網(wǎng)格越多,雖然可以提高仿真的精度,但是會影響計算效率。反之,網(wǎng)格劃分較少則會影響計算的準確性[8]。因此,合理的網(wǎng)格劃分,才能兼容保證計算精度和計算效率。設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)格劃分參數(shù)[9],并利用Icepak軟件的自動網(wǎng)格劃分功能,軟件根據(jù)建模的情況,智能劃分網(wǎng)格。

        4 電路板熱仿真結(jié)果及試驗對比分析

        根據(jù)某型彈上用驅(qū)動器電路板的實際工作狀態(tài),選擇一種工作模式進行仿真分析。通過分析可知,本工作模式下,溫度顯著變化的元器件有場效應(yīng)管(V1,V2,V13,V15,V17,V19)、片式電阻器(R7_1,R7_2,R7_13,R7_15,R7_17,R7_19)、電壓調(diào)整器(Tc)、電阻(R)和繞線電阻器(Rc_1,Rc_2,Rc_13,Rc_15,Rc_17,Rc_19),因此,對這些元器件建模仿真分析。

        4.1 常溫常壓下熱仿真分析及試驗驗證

        為確保PCB板模型的準確性和真空狀態(tài)下熱仿真結(jié)果的有效性,先在常溫常壓下對彈上用驅(qū)動器電路板熱仿真分析,設(shè)置仿真時間=200s,常溫常壓下=20℃,溫度分布云圖如圖3所示。

        圖3 PCB板及元器件溫度分布云圖(T=20℃)

        對同等工作狀態(tài)下的彈上用驅(qū)動器通過使用紅外測溫儀測量溫度,試驗測試結(jié)果如圖4所示,實測出溫度變化最大的元器件為Rc。

        圖4 紅外測溫儀測試溫度(T=20℃)

        常溫常壓下,由于空氣介質(zhì)的存在,各元器件產(chǎn)生的熱會發(fā)生熱對流現(xiàn)象,將部分熱量傳遞到空氣中。由圖3和圖4可以看出,在相同工作模式下,相同的工作時間,仿真得到的最高溫度和紅外測試的最高溫度分別是39.6℃和37.4℃。因此,常溫常壓下,基于本PCB板模型的仿真溫度和實測溫度非常接近,驗證了模型建立的合理性和正確性。

        4.2 模擬真空環(huán)境的熱仿真分析

        圖5 PCB及元器件溫度分布云圖(T=60℃)

        設(shè)置仿真時間=200s,超真空環(huán)境溫度=60℃,模擬對真空環(huán)境的彈上用驅(qū)動器進行熱仿真分析。經(jīng)過運行求解和可視化處理,以元器件對象表面溫度作為參考點,溫度分布云圖如圖5所示。

        由仿真結(jié)果可以看出,隨著仿真時間的增加,各元器件溫度不斷升高。不同元器件升溫速率存在差異,這是由元器件間的功率、尺寸和相對位置的差異所導(dǎo)致[10]。其中繞線電阻Rc的在初始階段升溫最快,仿真時間200s時的溫度也顯著高于其他元器件。結(jié)合溫度變化曲線,分別獲取200s內(nèi)各元器件最高溫度值,并與元器件溫度允許范圍對比,如表2所示??梢钥闯?,各元器件的最大溫度都在允許的溫度范圍內(nèi)。

        表2 元器件的仿真溫度

        5 結(jié)束語

        本文以某型彈上用驅(qū)動器電路板為例,完成了對該電路板的建模、元器件參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分等,利用Icepak對常溫常壓下彈上用驅(qū)動器電路板進行了熱仿真分析,并通過紅外測溫儀對相同工作模式下的彈上用驅(qū)動器進行了溫度實測的試驗驗證,驗證了本PCB板模型的準確性。隨后對該PCB板模型在真空環(huán)境下的相同工作模式進行了熱仿真分析。通過仿真分析得出,各元器件的最大溫度都在允許的工作范圍內(nèi),驗證了某型彈上用驅(qū)動器電路板熱設(shè)計的合理性。利用該熱仿真軟件,使元器件布局更加合理,有效地降低設(shè)計周期,減少工作量,避免由熱設(shè)計帶來的原材料浪費問題,極大地節(jié)約了成本。熱仿真軟件的應(yīng)用,為高可靠性、多功能、高集成、適應(yīng)性強的電路板開發(fā)提供了有力保障。

        1 李琴,朱敏波. 電子設(shè)備熱分析技術(shù)及軟件應(yīng)用[J]. 計算機輔助工程,2005,2:50~52

        2 王紅濤. 基于ANSYS的電路板組件熱仿真及試驗驗證研究[J]. 現(xiàn)代信息科技,2018,5:29~35

        3 李承隆. 電子產(chǎn)品熱設(shè)計及熱仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[D]. 成都:電子科技大學(xué),2010

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        print circuit board;thermal simulation;computational fluid dynamics;icepak

        井海明(1990),助理工程師,控制科學(xué)與工程專業(yè);研究方向:軌姿控發(fā)動機電控設(shè)計。

        2019-05-31

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