基于Icepak的通信电子设备热设计及优化*

2014-02-10张学新陈正江

通信技术 2014年9期

关键词：电子设备散热器电源

刘恒,张学新,陈正江

(中国电子科技集团第三十研究所,四川成都610041)

基于Icepak的通信电子设备热设计及优化*

刘恒,张学新,陈正江

(中国电子科技集团第三十研究所,四川成都610041)

本文结合通信电子设备工程实际,阐述了基于Icepak的通信电子设备热设计及优化的过程,探索了一种仿真计算与优化验证的热设计方法。文中通过初步计算选择合理的散热方式及确定散热布局,并详细介绍了利用Icepak软件对散热布局进行仿真计算的过程和散热器的参数化及优化设计过程。这种基于Icepak的热设计方法能明显提高设计效率,解决工程实际问题,对于通信电子设备的热设计具有参考意义。

通信电子设备 Icepak软件热设计仿真计算优化设计

0 引言

随着大规模集成电路技术的发展,芯片的集成度越来越高,再加上高密度组装技术的应用,使得通信电子设备功能更加强大,体积反而变小,热流密度不断增加,散热问题十分突出。据统计,电子设备的失效有55%因高温导致,随着温度的升高,其失效率成指数形式增长[1]。为保证通信电子设备能够在温差大、海拔高、长期缺少维护的环境下稳定可靠地工作,如何有效的散热就必不可少。热设计就是研究如何通过合理散热的方式,将电路模块产生的热量传递到空气中。传统的设计方法就是通过经验公式进行数值计算,在对主要参数进行校验,再以实物设备进行测试验证,设计周期长,精准度低,为后期使用埋下隐患。Icepak软件可以通过仿真模拟通信电子设备的空气流场,计算电路模块的温度,也能够参数化设计,为结构优化设计提供重要参考。

本文结合工程实际,利用Icepak软件对某通信电子设备进行仿真计算、并对重点发热单元的散热器进行优化设计。

1 Icepak简介

Icepak软件由全球最优秀的计算流体力学软件提供商Fluent公司,专门为电子产品定制开发的专业电子热分析软件[2],它能够够对电子产品的传热,流动进行模拟,可以实现元件级、部件级、模块级和系统级的热分析。Icepak采用FLUNET计算流体力学求解器,软件拥有丰富的模型库如:风扇、块、PCB、散热器、过滤网、通孔,能够实现快速建模;拥有先进的网格技术,支持四面体、六面体以及混合网格,可以生成高质量的计算网格;支持参数化设计,对变量进行参数化控制实现不同结构、不同工况下的分析计算,达到优化设计的目的;具有强大的解算能力和可视化的后处理能力。

2 总体方案

该设备安装在长期缺少维护的无人值守站点,环境温度为-10～45°C,要求成本低、可维修性强、可靠性高。综合考虑以上多种因素,并结合功能需求、人机工程和使用对象等要素,采用模块化的设计思路,形成总体方案。

机箱的尺寸为L×W×H=440 mm×425 mm× 173 mm(不含把手和连接器),内部安装有11个电路单元,其中1～9#为系统单元,10～11#为电源单元,通过背板实现电气互联。10～11#电路单元完全相同,采用的冗余设计,只有其中一个单元满载工作。

2.1 热设计分析

设备的总功耗为264 W,热功耗为114 W(按照两个电源单元均满载工作计算),要保证良好的热性能,就必须选择合适的散热方式。一般来说,电子设备的或元器件的常见散热方式有:自然散热、强迫风冷、直接液冷和蒸发冷却等[3]。散热方式的选择可以依据表面散热功率密度。设备的表面散热功率密度为0.017 W/cm2,对应图1可知,可以选择自然散热,但必须优化设计。

考虑设备的经济性,常规电子元器件就选用工作温度范围达到-10～85°C之间即可,而关键部位的电源模块则需要选用工作温度范围在-20～90°C之间。考虑到使用环境的特殊性和维修性要求,决定选用自然散热作为散热方式。

图1 表面散热功率密度(W/cm2)Fig.1 Superficial thermal-power density

2.2 结构布局

在结构设计时,全面考虑内部空间、自然散热、低成本和工艺性等因素,将设备设计成由底座、上盖和面板3部分组合而成的结构形式,底座内安装固定背板和各功能单元的框架,两侧开设散热孔,上盖和面板可拆卸,如图2所示。

图2 结构布局Fig.2 Structural layout

3 热设计

自然散热的传热途径是将内部电子元器件和印制板组装件通过传导、对流和辐射等方式传向机壳,再由机壳通过对流和辐射将热量传至周围介质,达到散热的目的。自然散热的方式主要有传导、对流和辐射,理论推导和计算十分复杂。

热传导的基本定律就是傅里叶定律,向量表达式如式(1)所示。

式中:k为材料的导热系数(W/(m·℃)),A为导热方向上的截面积(m2),为温度在n方向上的导数。

对流换热过程中传递的能量用牛顿方程来定义,数学表达式如式(2)所示。

式中:hc为换热系数(W/(m2·℃)),A为换热面积(m2),tf为流体温度(℃),tw为固体壁面温度(℃)。

辐射换热量采用斯蒂芬—玻尔兹曼定律计算,数学表达式如式(3)所示。

式中:ε为发射率,σ为斯蒂芬—玻尔兹曼系数,A1为辐射面1的面积(m2),f1-2为辐射面1对辐射面2的角系数,t1、t2为分别为辐射面1、2的表面温度(℃)。

由上述3种复杂的表达式可以看出,提高电子设备自然散热的能力可以从传热途径入手,主要有3个方面:①尽量降低传热路径各环节的热阻,形成一条低热阻热流通路[4];②提高机壳能外表面的黑度,增强辐射效率;③开设通风孔,充分利用冷却空气的对流作用。要想在结构设计时就达到良好的散热性能,可以借助专业的Icepak热分析软件来提高设计准确度和设计效率。

3.1 建立仿真模型

利用Icepak软件的进行建模时,需要简化机箱模型,去除对仿真结果影响不大的要素。Icepak软件带有丰富的模型库,利用Cabinet/opening/blocks/ PCB/heat_sinks/grille/assemblies等命令,分别创建计算域/机壳/发热芯片/电路板/散热器/通风孔/装配体的物理模型,并设定轮廓尺寸、定位尺寸和物理特性。

自然散热状态下,Cabinet的尺寸一般按照外边界到模型外壁距离在重力正方向上为2H,负方向为H,外边界到模型外壁两侧距离均为L/2,外边界到模型外壁前后距离为W/2。PCB需要依据电路板的实际情况设定层数、铜箔覆盖率、铜箔厚度。heat _sinks采用简单模型,肋片竖直分布,提高计算效率。grille需要根据实际特征设定通风率。利用assemblies命令将各功能单元组成装配体,设定网格边界,装配体在网格划分时,能自行加密,保证计算更加准确,也可以提高计算的优先级。仿真模型建立后,如图3所示,并进行check model。

图3 仿真模型Fig.3 Simulation model

3.2 设定工况条件

仿真模型建立后,设置迭代步数为400,计算雷诺数,判定空气流动状态为紊流。设置求解变量为Flow和Temperature,并计算Radiation,设定Turbulent,启用Gravity vector。设置Ambient Temperature为45℃,Default fluid为Air,Default solid为Al-Extruded,Default surfure为Al Paint-surface。

3.3 网格划分与计算

网格划分是整个仿真过程中重要的环节,对求解计算起到重要作用。Icepak提供的Hexa unstructured适应于绝大部分的散热分析。网格划分完成后需要对网格质量进行检查,其合理范围是Face alignment＞0.15,Quality＞0.15,Volume＞1e-12。网格划分时,选定Accept“change volume”check和Mech assemblies separately,其余默认,具体网格划分与质量为Face alignment range:0.424232～1;quality range:0.175761～1;volume range:1.07686e-012～5.66199e-005。

Icepak软件采用迭代法进行计算,首先计算辐射的角系数,设置Ref level为2,辐射计算完成后,再执行Run solution进行求解计算。计算流体力学求解器经过迭代165次,x-velocity、y-velocity、z-velocity、continuity残差达到1e-3,energy残差达到1e -7,计算收敛。

3.4 结果分析

计算结束后,温度云图如图4所示,温度最高点出现在10#电源单元的DC-DC模块上,最高温度为88.6392℃,11#电源单元的相同模块温度为84. 025℃,低于90℃,其余电子元器件的最高温度为70.2189℃,出现在4#系统单元上,远低于85℃。由于散热器采用的是简单模型,结构设计指导意义不够强,虽然满足温度要求,但是为保证散热效果更好,更多的散热余量,需要对电源单元散热器进行优化设计,计算出理想的特性参数。

图4 温度云Fig.4 Temperature cloud photograph

4 优化设计

散热器的优化考虑在特定条件下的热性能,以及工作环境对散热性能的影响等。优化设计中需要控制的参数有:肋片厚度(或肋间距)、肋片长度、肋片数量、肋片形状、肋基厚度以及散热器的材料等[4]。散热器的优化可以借助Icepak软件采用参数分析法,进行计算求解。

4.1 热模型的建立

常用的散热器主要有两种:叉指型和型材。由于PCB排版和安装限制,电源单元的散热器应采用型材。型材散热器按照肋片的形状可分为矩形肋、梯形肋、三角肋、凹抛物线肋等。其中,矩形肋的加工方法最为简单,应优先考虑[5]。

10#电源单元的散热器根据结构空间,基板的尺寸150 mm×280 mm,厚度3 mm,总高度39.5 mm,肋片厚度和数量作为变量进行参数化仿真计算,目标函数为全局最低温度,顺便计算对应的热阻、质量和DCDC模块温度,参数如表1所示。

表1 10#电源单元散热器参数表Table 1 Heatsink parameters of No.10 power unit

根据表1设定电源单元散热器的参数、设定参数化选项卡、定义目标函数tmp为Min Value。

4.2 优化计算及结果

参数化计算结束后,结果如表2所示,第4组数据,当Finc=33,Fint=7.6 mm时,热阻为0.8363℃/ W,全局温度为82.33℃,10#电路单元上DC-DC模块最高温度为72.28℃,说明热阻最小时,温度也最低,全局温度最高点已经转移到11#电源单元的DC -DC模块上。

表2 优化计算结果Table 2 Optimized results

虽然第4组数据温度上为最优,但是和第3组数据进行分析对比,全局温度降低0.29℃,但是散热器的质量却增加了39.77%。考虑加工因素、成本等,在实际工程应用上,第4组数据并不是最理想的,而第3组数据最为理想。由于10～11#电源单元为相同的电源单元,为验证优化后的散热器的散热效果,按照第3组数据设定散热器参数,并进行仿真计算,经过185步迭代运算,残差收敛,温度云图如图7所示,全局温度最高出现在10#电源单元DC -DC模块上,最高温度为73.259℃,11#电源单元DC-DC模块最高温度为71.4674℃,与优化前相比,全局温度和10#电源单元DC-DC模块温度降低了15.3802℃,11#电源单元DC-DC模块温度降低了12.5576℃,效果明显,符合要求散热要求。

图5 优化后的温度云Fig.5 Optimized temperature cloud photograph

5 结语

对于可靠性要求高、使用环境特殊的通信电子设备,在进行结构设计时,利用Icepak软件对散热方案,进行分析评估,确认可行性,并对重点部位进行优化设计,在对参数化优化仿真的结果进行选择时,既要关注温度指标,又要注意质量、加工工艺性、成本等相关因素,综合考虑选择最均衡的方案。本次热设计的整个过程表明,Icepak软件在热设计不仅能够减少不必要的理论计算,也消除理论计算的误差,能够缩短开发周期,真正提高产品的可靠性,降低成本。

[1] 邱成悌,赵惇殳,蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社,2005.

QIU Cheng-ti,ZHAO Dun-shu,JIANG Quan-xing. Design Principle of Electronic Equipment Structure[M]. Nanjing:Southeast University Press,2005.

[2] 吴圣陶,曾柯杰,刘恒.接触热阻的计算及ICEPAK环境下的数值模拟[J].通信技术,2013,46(01):101-104.

WU Sheng-tao,ZENG Ke-jie,LIU Heng.Computing Model and Numerical Simulation of Thermal Contact Resistance[J].CommunicationsTechnology,2013, 46(01):101-104.

[3] 刘忠红.一种机载电子设备的热设计与热性能测试[J].电子计算机与外部设备,1997,21(01):1-3.

LIU Zhong-hong.Thermal Design and Performance Measurement of An Airborne Electronic Equipment[J]. Electronic Computer and Peripheral Equipment,1997, 21(01):1-3.

[4] 赵惇殳.电子设备热设计[M].北京:电子工业出版社,2009.

ZHAO Dun-shu.Thermal Design for Electronic Equipment[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009.

[5] 景莘慧,陈文鑫.大功率电源模块的散热设计[J].电子机械工程,2003,19(01):28-30.

JING Shen-hui,Chen Wen-xin.Thermal Design of Heat Sink for a Large-power Supply Module[J].Electro-Mechanical Engineering,2003,19(01):28-30.

LIU Heng(1980-),male,B.Sci.,mainly working at structural design of military electronic equipment.

张学新(1979—),男,学士,主要研究方向为军用电子装备结构设计;

ZHANG Xue-xin(1979-),male,B.Sci.,mainly working at structural design of military electronic equipment.

陈正江(1977—),男,硕士研究生,主要研究方向为军用电子装备结构设计。

CHEN Zheng-jiang(1977-),male,graduate student,mainly working at structural design of military electronic equipment.

Thermal Design and Optimization for Communication Electronic Equipment Based on Icepak

LIU Heng,ZHANG Xue-xin,CHEN Zheng-jiang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

In this paper,integrated with engineering practice of communication electronic equipment,the process of thermal design and optimization is discussed particularly based on Icepak and a certain method of simulation and optimization is probed carefully.First,an appropriate heat dissipation method is chosen and a kind of arrangement for thermal spilling out is identified by preliminary calculating.By using Icepak software,the process of simulation calculation for thermal spilling out arrangement and radiator parameter optimization are introduced in detail.This thermal design based on Icepak can improve the design efficiency obviously,solve engineering problem,and provide reference value for thermal design of communication electronic equipments.

communication electronic equipment;Icepak software;thermal design;simulation calculation; optimization design

TN917

1002-0802(2014)09-1104-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.026