王俊清

【摘要】機(jī)頂盒散熱一直都是專業(yè)人員研究的重點(diǎn)內(nèi)容，機(jī)頂盒散熱情況與其使用壽命及使用性能有著直接聯(lián)系。因?yàn)闄C(jī)頂盒散熱設(shè)計(jì)中考慮的內(nèi)容較多，復(fù)雜性強(qiáng)，為加強(qiáng)散熱效果，就需做好進(jìn)一步的研究和分析。本文將重點(diǎn)闡述機(jī)頂盒類產(chǎn)品熱仿真設(shè)計(jì)相關(guān)研究內(nèi)容，旨在提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，確保產(chǎn)品的使用性能。

【關(guān)鍵詞】機(jī)頂盒;熱仿真;使用性能

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.03.030

1. 背景技術(shù)

數(shù)字視頻機(jī)頂盒，是連接電視機(jī)與外部信號源的重要裝置，隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)頂盒類產(chǎn)品使用的芯片集成度越來越高，產(chǎn)品的外觀越來越小，產(chǎn)品內(nèi)部和外部的溫升不斷提高。機(jī)頂盒類產(chǎn)品使用中需要完善散熱設(shè)計(jì)，如果散熱性能不好，機(jī)頂盒運(yùn)行中存在明顯的高溫現(xiàn)象，對內(nèi)部零芯片帶來了損壞，縮短了機(jī)頂盒的使用壽命。為此在機(jī)頂盒類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中散熱設(shè)計(jì)十分重要。

2. 熱仿真簡介

電子產(chǎn)品熱仿真是計(jì)算流體動力學(xué)的重要分支，是利用計(jì)算軟件構(gòu)建完善的數(shù)字模型，通過數(shù)字模型及圖像的顯現(xiàn)和計(jì)算，對電子產(chǎn)品的散熱性能就噪聲情況予以分析和了解。熱仿真作為虛擬實(shí)驗(yàn)的一種常用形式，可在產(chǎn)品做出之前，準(zhǔn)確計(jì)算和掌握散熱情況，降低散熱風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。熱仿真技術(shù)在應(yīng)用中，可提前預(yù)測產(chǎn)品的散熱性能，查看其是否滿足產(chǎn)品要求，進(jìn)而節(jié)約時(shí)間和成本，減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升及仿真模型的完善，計(jì)算精準(zhǔn)度也在不斷提高，這為熱設(shè)計(jì)帶來更多助力和支持。目前散熱設(shè)計(jì)中，常用的仿真軟件有Flotherm，AnsysIcepak，6SigmaET，F(xiàn)loEFD等。

3. 熱仿真準(zhǔn)確性因素

3.1 影響因素

影響熱仿真準(zhǔn)確性的因素可概括為以下幾點(diǎn)：仿真模型與實(shí)測樣品參數(shù)間是否一致，如果存在偏差，偏差值是否在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。如不在，則會對準(zhǔn)確性構(gòu)成影響;軟件網(wǎng)絡(luò)設(shè)置穩(wěn)定性與否。

仿真結(jié)果能不能得到收斂的解精確性。

網(wǎng)格參數(shù)是否合理（備注：一旦問題得到了合適的求解，再增加網(wǎng)格的數(shù)量將不會再改變求解的結(jié)果），邊界條件、環(huán)境設(shè)置。

3.2 措施

3.2.1 功耗準(zhǔn)確性

目前設(shè)計(jì)中提供的功耗參數(shù)多是依照規(guī)格書要求計(jì)算的，得出的最終仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相比偏高，與實(shí)際測量功耗參數(shù)間存在較大差異。所以在仿真設(shè)計(jì)中，為保證功耗準(zhǔn)確性，需要對輸入?yún)?shù)進(jìn)行重新調(diào)整和處理，增加典型功耗輸入?yún)?shù)等相關(guān)內(nèi)容，盡可能縮減其與實(shí)際測量值間的差異。

另外，做好仿真數(shù)據(jù)參數(shù)的對比、分析與總結(jié)：首先，掌握峰值功耗與實(shí)際測量功耗百分比之間存在的關(guān)系，之后通過峰值功耗的設(shè)置完成實(shí)際功耗參數(shù)的計(jì)算，提高兩者間的一致性;其次，對存在的發(fā)熱器件及熱耗百分比之間的關(guān)系予以了解和掌握，并確定熱耗器件功耗參數(shù)的準(zhǔn)確性。這些數(shù)據(jù)資料可通過提交相關(guān)規(guī)格書予以了解，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)展開分析，確保參數(shù)的準(zhǔn)確性。

3.2.2 模型參數(shù)設(shè)置

在模型構(gòu)建中要保證模型參數(shù)與實(shí)際器件參數(shù)的一致性，這些參數(shù)中包括導(dǎo)熱系數(shù)、輻射系數(shù)、雙熱阻系數(shù)等內(nèi)容;在芯片封裝確定中，要將引腳范圍計(jì)算在內(nèi)，確定最終散熱值，保障相關(guān)參數(shù)設(shè)置的合理性、可靠性。

3.2.3 邊界條件設(shè)置

工作人員要對環(huán)境溫度觀測，使其與實(shí)際測量值間保持一致;對器件的放置位置、條件要求及重力方向展開詳細(xì)分析和考量，與實(shí)際情況保持統(tǒng)一;要求計(jì)算域完全滿足物理問題處理的要求。

3.2.4 網(wǎng)格設(shè)置

在網(wǎng)格參數(shù)計(jì)算中要有效落實(shí)收斂效果;確保網(wǎng)格數(shù)量高度滿足物理解決的相關(guān)要求。并在設(shè)置中堅(jiān)持以少到多的原則，逐步開展計(jì)算工作，維護(hù)網(wǎng)格設(shè)置的合理性、有效性，避免意外問題的出現(xiàn)。

4. 熱仿真的意義

4.1 短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)資源，省去了多次修改散熱方案的開發(fā)過程

通過圖1，我們可以清楚的看出，在開發(fā)中增加了熱仿真設(shè)計(jì)可以有效的提高了產(chǎn)品開發(fā)效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期;減少了產(chǎn)品開發(fā)中的問題，保證了產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

4.2 隨著產(chǎn)品清晰度提高，功耗線性增加

通過圖2可以看出，隨著人們對圖像清晰度的提高，機(jī)頂盒類產(chǎn)品的功耗在線性增加，功耗的大部分能耗轉(zhuǎn)為熱能從產(chǎn)品外殼上散出，最終表現(xiàn)為產(chǎn)品的外表面溫升增加，內(nèi)部芯片溫度增加。

產(chǎn)品外觀的發(fā)展趨勢是尺寸越來越小，外殼材料由金屬變塑料;通過圖3，我們可以觀察到機(jī)頂盒類產(chǎn)品外觀尺寸大小隨著年代增加尺寸越來越小;我們可以看到從2004初期階段的機(jī)頂盒產(chǎn)品尺寸約是300*150*46（單位：毫米）到2019年左右的機(jī)頂盒類產(chǎn)品尺寸約是100*100*25（單位：毫米），產(chǎn)品尺寸縮小了幾倍;同時(shí)產(chǎn)品的外殼材料由原來的金屬外殼加局部塑料材料變?yōu)楝F(xiàn)在的全塑料材料，金屬材料的散熱性能明顯優(yōu)于塑料材料，同時(shí)塑料材料的熱溶溫度只有80℃左右，在高溫下很容易變形溶解或者bd變色，如圖4、圖5。

4.3 直觀可見，熱流動畫

隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，熱仿真軟件的功能也越來越強(qiáng)大，分析越來越全面;隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的提高，從硬件上支持了熱仿真軟件的計(jì)算速度越來越快;從而原來用在重要項(xiàng)目上的仿真工具也可以民用產(chǎn)品上普及使用。

如圖6、圖7，熱仿真軟件通過我們的建模和運(yùn)算最終可以提供給我們各種仿真結(jié)果，如截面熱場、內(nèi)部的最高溫度點(diǎn)和動態(tài)熱力圖等，可使設(shè)計(jì)人員或客戶直觀看到熱分布情況。

4.5 科學(xué)計(jì)算得出最優(yōu)散熱方案

利用熱仿真軟件不但可以根據(jù)實(shí)際情況仿真出實(shí)際散熱情況，也可以利用軟件根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況，如使用條件、產(chǎn)品的外形尺寸和散熱器種類等，通過改變影響散熱的各種條件進(jìn)行熱仿真，如使用不同種類的散熱器、同種散熱器使用不同的尺寸或調(diào)整產(chǎn)品外形尺寸等，通過各種條件下的仿真和對比仿真結(jié)果，最終可以得出尺寸合適，溫升滿足客戶要求的產(chǎn)品。

5. 結(jié)束語

根據(jù)上文論述可以看出，高效散熱設(shè)計(jì)在機(jī)頂盒運(yùn)行中有著非常重要的作用，保持散熱設(shè)計(jì)的合理性是維護(hù)機(jī)頂盒運(yùn)行安全與可靠性的關(guān)鍵;而熱仿真為熱設(shè)計(jì)提供了技術(shù)上的支持，熱仿真的合理使用提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率和保證產(chǎn)品的性能。

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