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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