王藝璇， 劉 玲， 秦友倫

（中國兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所有限公司， 四川 綿陽 621000）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展， 設(shè)計(jì)仿真技術(shù)的不斷創(chuàng)新，在熱設(shè)計(jì)方面，技術(shù)也日趨成熟，通過合理地使用熱分析軟件，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行多輪迭代優(yōu)化和完善，充分論證產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)符合需求，以期達(dá)到后續(xù)生產(chǎn)制造和使用方面風(fēng)險(xiǎn)最小，減少資源浪費(fèi)，降低成本，提高產(chǎn)品的可靠性，延長使用壽命。

便攜式測(cè)試終端用于對(duì)外部設(shè)備提供電源輸出，并能進(jìn)行電性能指標(biāo)監(jiān)測(cè)和多種類型的總線通訊。 因其使用環(huán)境的特殊，對(duì)耐高低溫、耐腐蝕、抗振動(dòng)沖擊和抗干擾等方面都提出了較為嚴(yán)苛的指標(biāo)。 因此在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過合理地運(yùn)用熱分析工具，充分論證產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)符合需求，可以有效降低設(shè)計(jì)成本，縮短研制時(shí)間，規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率[1]。

1 案例描述

某便攜式測(cè)試終端主要由主板、IO 板和顯示屏組成，外部尺寸為170mm×110mm×40mm，如圖1 所示。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，硬件電路設(shè)計(jì)已完成，主要的發(fā)熱器件位置已確定，其中主板的發(fā)熱器件主要有U1～U5 和U43，為方便分析計(jì)算，其余器件由于發(fā)熱功耗較小，在建模時(shí)對(duì)其發(fā)熱情況不予考慮。 終端發(fā)熱模塊結(jié)構(gòu)尺寸及發(fā)熱功耗如表1所示。

圖1 測(cè)試終端結(jié)構(gòu)組成

表1 發(fā)熱模塊結(jié)構(gòu)尺寸和功耗表

2 熱仿真分析

2.1 熱設(shè)計(jì)

物體的傳熱過程分為三種基本傳熱模式， 即： 熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。 根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境的要求，該測(cè)試終端在實(shí)際工作中，除依靠結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)散熱外（輻射散熱可忽略），難以采用其他散熱方式。由上述工作參數(shù)可知，雖然終端的發(fā)熱功耗不高，但由于外殼是完全密封的，并且殼體內(nèi)的發(fā)熱器件體積小且分布不均。 終端在長期工作后，殼體內(nèi)溫度上升很快，縮短器件使用壽命，因此需對(duì)其進(jìn)行良好的熱設(shè)計(jì)。

在只考慮傳導(dǎo)散熱的情況下， 由于終端外殼是直接接觸外界環(huán)境的， 因此整機(jī)的散熱過程盡量考慮內(nèi)部熱量通過殼體導(dǎo)出至外界環(huán)境中。 根據(jù)材料特性和工作經(jīng)驗(yàn)，整機(jī)殼體材料選用鋁合金6061 材料，密度2700kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)180W/m·K，比熱容963J/kg·K[2]。

2.2 建立模型

利用FLOTHERM 軟件對(duì)測(cè)試終端進(jìn)行熱仿真分析時(shí)，為提高仿真效率，在計(jì)算結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生較大影響的前提下，對(duì)三維模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾喕饕ǎ孩俸喕瘻y(cè)試終端殼體內(nèi)外的倒角、 螺紋孔等對(duì)散熱影響很小的結(jié)構(gòu)和特征；②刪除測(cè)試終端中的把手、插座、橡膠按鈕、開關(guān)、導(dǎo)電橡膠條和支腳等無功耗器件；③刪除銘牌和殼體上的倒角、刻字等結(jié)構(gòu)和特征；④刪除對(duì)仿真結(jié)果影響很小的螺釘、彈平墊等標(biāo)準(zhǔn)件。

通過一系列合理簡化后得到加固計(jì)算機(jī)的仿真模型如圖2 所示。

圖2 簡化模型

2.3 熱仿真

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

將簡化后的三維模型導(dǎo)入Pre-Processor 中， 參 數(shù) 設(shè) 置 如下： 工作環(huán)境溫度為55℃，環(huán)境氣壓1atm。測(cè)試終端的殼體和蓋板材料選用Aluminum-6061， 安裝板材料為Aluminum（Anodized），主板和IO 板的基板材料為FR4，元器件材料為Copper （Pure）。

2.3.2 網(wǎng)格劃分

邊界條件設(shè)置完畢后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。良好的網(wǎng)格劃分不僅可以保證求解計(jì)算的精度， 還可以提高計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分時(shí)選擇非連續(xù)網(wǎng)格法，對(duì)主板進(jìn)行網(wǎng)格局域化分，主要發(fā)熱器件局部加密，得到網(wǎng)格見圖3。

圖3 網(wǎng)格模型

（1）計(jì)算域尺寸：350mm×300mm×200mm。

（2）網(wǎng)格類型：六面體。

（3）網(wǎng)格數(shù)量：432772。

（4）網(wǎng)格最大長寬比：19.758 81。

2.3.3 求解計(jì)算

對(duì)建立的仿真模型進(jìn)行檢查和求解計(jì)算。 參數(shù)殘差監(jiān)控曲線如圖4 所示，監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線如圖5 所示。 可以看出參差收斂曲線達(dá)到1，迭代計(jì)算收斂；監(jiān)控點(diǎn)溫度變化曲線穩(wěn)定[3-4]，監(jiān)控點(diǎn)參數(shù)值不隨迭代次數(shù)發(fā)生變化，認(rèn)為本次計(jì)算結(jié)果收斂。

圖5 監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線

2.3.4 結(jié)果分析

通過Visual Editor 后處理模塊查看仿真結(jié)果。 測(cè)試終端的整體溫度分布如圖6 所示， 終端內(nèi)部板卡的溫度分布如圖7 所示。

圖6 測(cè)試終端溫度分布

圖7 板卡溫度分布

由圖6 可知，終端殼體溫度最高60℃，最低56℃，最高溫度位于IO 板電源模塊U37 處。 由圖7 可知，IO 板U37 溫度為63℃， 這是由于電源模塊僅依靠板卡傳遞熱量，所以雖然U37 功耗較低，卻是整個(gè)元器件中的最高溫度。 主板上U1 即CPU 芯片是終端功耗最大的器件，在主板的器件與終端蓋板之間選用導(dǎo)熱墊填充， 將器件的部分熱量通過外殼導(dǎo)出至外界環(huán)境中，仿真結(jié)果為60℃，相對(duì)環(huán)境溫度溫升5℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

為了驗(yàn)證熱仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將產(chǎn)品置于溫箱內(nèi)，由室溫以5℃/min 的速率升至55℃，對(duì)產(chǎn)品加電進(jìn)行電性能測(cè)試，結(jié)果CPU 芯片實(shí)測(cè)溫度61℃，與仿真結(jié)果相差1℃。 其余器件實(shí)際溫度與仿真結(jié)果誤差均不超過3℃，并且實(shí)測(cè)值與仿真值均滿足元器件使用要求[5]。

根據(jù)熱仿真計(jì)算結(jié)果， 表明主板上的芯片散熱面與終端蓋板上的凸臺(tái)相接觸， 形成了良好的散熱途徑，因此，雖然芯片的功耗較大，其溫度相比未做相應(yīng)散熱措施的IO 板U37 芯片溫度更低。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)某便攜式測(cè)試終端進(jìn)行熱仿真分析，結(jié)果表明：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過運(yùn)用FLOTHERM 軟件對(duì)其進(jìn)行熱仿真分析， 可較為準(zhǔn)確地估算在高溫環(huán)境下的器件溫度以及整機(jī)的溫度分布圖。同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及板卡的器件排布提出參考依據(jù)。通過熱仿真分析，結(jié)合一定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 可以有效地縮短電子設(shè)備的研發(fā)時(shí)間，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，在工程應(yīng)用中具有良好的實(shí)際指導(dǎo)意義。