电子设备热设计在仿真软件中的运用＊

2012-06-07张万俊

舰船电子工程 2012年10期

张万俊

（扬州万方电子技术有限责任公司扬州 225006）

1 引言

据统计，电子设备的主要失效形式是热失效，有55%以上是因为冷却系统设计不良所导致。随着温度的增加，其实效率成指数增长趋势，甚至有的器件在环境温度每升高10℃，失效率增大一倍以上，被称为10℃法则。随着现代设备小型化的要求，电子器件的集成度越来越高，功率密度不断增加，设备工作中因温度过高引起的失效问题日益突出。如果不采取有效的散热措施，将导致设备的可靠性大大降低，当温度达到或超过器件的最高允许温度时，器件将受到损坏。如何有效的控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度是热设计迫切需要解决的问题。传统的热设计通常是根据经验或应用有限的换热公式进行预先估计，生产出成品后再通过实验来检验，若不能满足要求，就要经历修改，再设计，再生产，再检验，如此反复的设计过程，这样既浪费时间又浪费原材料。显然这种传统的热设计方法已不能满足现代化的生产需求。因此，在产品的设计阶段就对其进行有效的热仿真已是非常必要。利用ansys专业分析软件进行热仿真分析，确定出模型中的温度最高点。能够获得较为真实的数据，为产品热设计提供有力的参考依据，消除其热问题，使其最高温度在允许的温度范围内，达到设计要求。

2 热分析软件的特点

Ansys软件是一款集热分析、结构分析、电磁场分析、流体分析和多物理场分析为一体的专业仿真分析软件。其中的Icepak是针对电子产品热分析的专业化分析模块。它以传热学为基础，采用有限体积法模拟设备的工作环境。具有专业的流体动力学求解器（fluent），计算精度高，能够分析各种流体状态。同时提供了电子设备热分析中常用的所有组件，使得建模变得简单。软件还为用户提供了材料库、风扇库，调用方便，能够解决系统级、印制板级、器件级的热分析问题。

3 应用实例

1）问题描述

某电子设备要求工作温度55℃工作，整机耗散功率50W。布局如图1所示。

机箱尺寸：宽×深×高＝482.6mm×450mm×88.1mm。

机箱材料：合金铝2A12。

内部发热部件：电源组件（耗散功率13W），印制板底板（耗散功率12W），核心板（耗散功率25W）。

因核心板发热器件非常集中，热量密集，单靠后面板上的风机吸风散热效果不理想，如何布置内部风道，对发热器件集中风量散热是热设计的关键问题。

2）建立模型

用ansys进行热分析，一般分为五个基本步骤：建立模型、划分网格、设定问题参数与边界条件、求解计算和后核心。另外ansys还提供了各种电子设备的常用器件模型，可以比较方便的建立模型。

根据实际情况，前面板通风孔采用grille模型，风扇采用2dexhaust模型，电源采用block模型，隔板用plate模型。因电源单元有少量的通风，在电源单元前侧加一个风阻较大的栅格（grille）进行模拟。完整模型如图2所示。

图1 设备布局示意图

建立模型后，需划分网格，网格划分的好坏将影响计算精度和计算时间。一般来说，细网格模型的计算精度较高，但网格细化后获得的网格数量急剧增加，计算时间很长。为此，我们尽量以粗网格划分模型，对薄板，薄壁部分进行细化核心，以达到较为理想的网格。

3）求解计算

在求解计算之前，还需设定环境温度，迭代次数，检查雷诺数等。运行Solutionsettings／Basic settings，点击 Reset，在信息窗口得到Reynolds数和Pelect数分别为38219和27245，说明计算出的雷诺数在紊流范围内。调整初始设置为紊流，环境温度为55℃，迭代次数为100，计算结果的收敛情况如图3所示。