基于Icepak的通信電子設備熱設計及優化*

劉 恒,張學新,陳正江

(中國電子科技集團第三十研究所,四川成都610041)

基于Icepak的通信電子設備熱設計及優化*

劉 恒,張學新,陳正江

(中國電子科技集團第三十研究所,四川成都610041)

本文結合通信電子設備工程實際,闡述了基于Icepak的通信電子設備熱設計及優化的過程,探索了一種仿真計算與優化驗證的熱設計方法。文中通過初步計算選擇合理的散熱方式及確定散熱布局,并詳細介紹了利用Icepak軟件對散熱布局進行仿真計算的過程和散熱器的參數化及優化設計過程。這種基于Icepak的熱設計方法能明顯提高設計效率,解決工程實際問題,對于通信電子設備的熱設計具有參考意義。

通信電子設備 Icepak軟件 熱設計 仿真計算 優化設計

0 引 言

隨著大規模集成電路技術的發展,芯片的集成度越來越高,再加上高密度組裝技術的應用,使得通信電子設備功能更加強大,體積反而變小,熱流密度不斷增加,散熱問題十分突出。據統計,電子設備的失效有55%因高溫導致,隨著溫度的升高,其失效率成指數形式增長[1]。為保證通信電子設備能夠在溫差大、海拔高、長期缺少維護的環境下穩定可靠地工作,如何有效的散熱就必不可少。熱設計就是研究如何通過合理散熱的方式,將電路模塊產生的熱量傳遞到空氣中。傳統的設計方法就是通過經驗公式進行數值計算,在對主要參數進行校驗,再以實物設備進行測試驗證,設計周期長,精準度低,為后期使用埋下隱患。Icepak軟件可以通過仿真模擬通信電子設備的空氣流場,計算電路模塊的溫度,也能夠參數化設計,為結構優化設計提供重要參考。

本文結合工程實際,利用Icepak軟件對某通信電子設備進行仿真計算、并對重點發熱單元的散熱器進行優化設計。

1 Icepak簡介

Icepak軟件由全球最優秀的計算流體力學軟件提供商Fluent公司,專門為電子產品定制開發的專業電子熱分析軟件[2],它能夠夠對電子產品的傳熱,流動進行模擬,可以實現元件級、部件級、模塊級和系統級的熱分析。Icepak采用FLUNET計算流體力學求解器,軟件擁有豐富的模型庫如:風扇、塊、PCB、散熱器、過濾網、通孔,能夠實現快速建模;擁有先進的網格技術,支持四面體、六面體以及混合網格,可以生成高質量的計算網格;支持參數化設計,對變量進行參數化控制實現不同結構、不同工況下的分析計算,達到優化設計的目的;具有強大的解算能力和可視化的后處理能力。

2 總體方案

該設備安裝在長期缺少維護的無人值守站點,環境溫度為-10～45°C,要求成本低、可維修性強、可靠性高。綜合考慮以上多種因素,并結合功能需求、人機工程和使用對象等要素,采用模塊化的設計思路,形成總體方案。

機箱的尺寸為L×W×H=440 mm×425 mm× 173 mm(不含把手和連接器),內部安裝有11個電路單元,其中1～9#為系統單元,10～11#為電源單元,通過背板實現電氣互聯。10～11#電路單元完全相同,采用的冗余設計,只有其中一個單元滿載工作。

2.1 熱設計分析

設備的總功耗為264 W,熱功耗為114 W(按照兩個電源單元均滿載工作計算),要保證良好的熱性能,就必須選擇合適的散熱方式。一般來說,電子設備的或元器件的常見散熱方式有:自然散熱、強迫風冷、直接液冷和蒸發冷卻等[3]。散熱方式的選擇可以依據表面散熱功率密度。設備的表面散熱功率密度為0.017 W/cm2,對應圖1可知,可以選擇自然散熱,但必須優化設計。

考慮設備的經濟性,常規電子元器件就選用工作溫度范圍達到-10～85°C之間即可,而關鍵部位的電源模塊則需要選用工作溫度范圍在-20～90°C之間?？紤]到使用環境的特殊性和維修性要求,決定選用自然散熱作為散熱方式。

圖1 表面散熱功率密度(W/cm2)Fig.1 Superficial thermal-power density

2.2 結構布局

在結構設計時,全面考慮內部空間、自然散熱、低成本和工藝性等因素,將設備設計成由底座、上蓋和面板3部分組合而成的結構形式,底座內安裝固定背板和各功能單元的框架,兩側開設散熱孔,上蓋和面板可拆卸,如圖2所示。

圖2 結構布局Fig.2 Structural layout

3 熱設計

自然散熱的傳熱途徑是將內部電子元器件和印制板組裝件通過傳導、對流和輻射等方式傳向機殼,再由機殼通過對流和輻射將熱量傳至周圍介質,達到散熱的目的。自然散熱的方式主要有傳導、對流和輻射,理論推導和計算十分復雜。

熱傳導的基本定律就是傅里葉定律,向量表達式如式(1)所示。

式中:k為材料的導熱系數(W/(m·℃)),A為導熱方向上的截面積(m2),為溫度在n方向上的導數。

對流換熱過程中傳遞的能量用牛頓方程來定義,數學表達式如式(2)所示。

式中:hc為換熱系數(W/(m2·℃)),A為換熱面積(m2),tf為流體溫度(℃),tw為固體壁面溫度(℃)。

輻射換熱量采用斯蒂芬—玻爾茲曼定律計算,數學表達式如式(3)所示。

式中:ε為發射率,σ為斯蒂芬—玻爾茲曼系數,A1為輻射面1的面積(m2),f1-2為輻射面1對輻射面2的角系數,t1、t2為分別為輻射面1、2的表面溫度(℃)。

由上述3種復雜的表達式可以看出,提高電子設備自然散熱的能力可以從傳熱途徑入手,主要有3個方面:①盡量降低傳熱路徑各環節的熱阻,形成一條低熱阻熱流通路[4];②提高機殼能外表面的黑度,增強輻射效率;③開設通風孔,充分利用冷卻空氣的對流作用。要想在結構設計時就達到良好的散熱性能,可以借助專業的Icepak熱分析軟件來提高設計準確度和設計效率。

3.1 建立仿真模型

利用Icepak軟件的進行建模時,需要簡化機箱模型,去除對仿真結果影響不大的要素。Icepak軟件帶有豐富的模型庫,利用Cabinet/opening/blocks/ PCB/heat_sinks/grille/assemblies等命令,分別創建計算域/機殼/發熱芯片/電路板/散熱器/通風孔/裝配體的物理模型,并設定輪廓尺寸、定位尺寸和物理特性。

自然散熱狀態下,Cabinet的尺寸一般按照外邊界到模型外壁距離在重力正方向上為2H,負方向為H,外邊界到模型外壁兩側距離均為L/2,外邊界到模型外壁前后距離為W/2。PCB需要依據電路板的實際情況設定層數、銅箔覆蓋率、銅箔厚度。heat _sinks采用簡單模型,肋片豎直分布,提高計算效率。grille需要根據實際特征設定通風率。利用assemblies命令將各功能單元組成裝配體,設定網格邊界,裝配體在網格劃分時,能自行加密,保證計算更加準確,也可以提高計算的優先級。仿真模型建立后,如圖3所示,并進行check model。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

3.2 設定工況條件

仿真模型建立后,設置迭代步數為400,計算雷諾數,判定空氣流動狀態為紊流。設置求解變量為Flow和Temperature,并計算Radiation,設定Turbulent,啟用Gravity vector。設置Ambient Temperature為45℃,Default fluid為Air,Default solid為Al-Extruded,Default surfure為Al Paint-surface。

3.3 網格劃分與計算

網格劃分是整個仿真過程中重要的環節,對求解計算起到重要作用。Icepak提供的Hexa unstructured適應于絕大部分的散熱分析。網格劃分完成后需要對網格質量進行檢查,其合理范圍是Face alignment＞0.15,Quality＞0.15,Volume＞1e-12。網格劃分時,選定Accept“change volume”check和Mech assemblies separately,其余默認,具體網格劃分與質量為Face alignment range:0.424232～1;quality range:0.175761～1;volume range:1.07686e-012～5.66199e-005。

Icepak軟件采用迭代法進行計算,首先計算輻射的角系數,設置Ref level為2,輻射計算完成后,再執行Run solution進行求解計算。計算流體力學求解器經過迭代165次,x-velocity、y-velocity、z-velocity、continuity殘差達到1e-3,energy殘差達到1e -7,計算收斂。

3.4 結果分析

計算結束后,溫度云圖如圖4所示,溫度最高點出現在10#電源單元的DC-DC模塊上,最高溫度為88.6392℃,11#電源單元的相同模塊溫度為84. 025℃,低于90℃,其余電子元器件的最高溫度為70.2189℃,出現在4#系統單元上,遠低于85℃。由于散熱器采用的是簡單模型,結構設計指導意義不夠強,雖然滿足溫度要求,但是為保證散熱效果更好,更多的散熱余量,需要對電源單元散熱器進行優化設計,計算出理想的特性參數。

圖4 溫度云Fig.4 Temperature cloud photograph

4 優化設計

散熱器的優化考慮在特定條件下的熱性能,以及工作環境對散熱性能的影響等。優化設計中需要控制的參數有:肋片厚度(或肋間距)、肋片長度、肋片數量、肋片形狀、肋基厚度以及散熱器的材料等[4]。散熱器的優化可以借助Icepak軟件采用參數分析法,進行計算求解。

4.1 熱模型的建立

常用的散熱器主要有兩種:叉指型和型材。由于PCB排版和安裝限制,電源單元的散熱器應采用型材。型材散熱器按照肋片的形狀可分為矩形肋、梯形肋、三角肋、凹拋物線肋等。其中,矩形肋的加工方法最為簡單,應優先考慮[5]。

10#電源單元的散熱器根據結構空間,基板的尺寸150 mm×280 mm,厚度3 mm,總高度39.5 mm,肋片厚度和數量作為變量進行參數化仿真計算,目標函數為全局最低溫度,順便計算對應的熱阻、質量和DCDC模塊溫度,參數如表1所示。

表1 10#電源單元散熱器參數表Table 1 Heatsink parameters of No.10 power unit

根據表1設定電源單元散熱器的參數、設定參數化選項卡、定義目標函數tmp為Min Value。

4.2 優化計算及結果

參數化計算結束后,結果如表2所示,第4組數據,當Finc=33,Fint=7.6 mm時,熱阻為0.8363℃/ W,全局溫度為82.33℃,10#電路單元上DC-DC模塊最高溫度為72.28℃,說明熱阻最小時,溫度也最低,全局溫度最高點已經轉移到11#電源單元的DC -DC模塊上。

表2 優化計算結果Table 2 Optimized results

雖然第4組數據溫度上為最優,但是和第3組數據進行分析對比,全局溫度降低0.29℃,但是散熱器的質量卻增加了39.77%?？紤]加工因素、成本等,在實際工程應用上,第4組數據并不是最理想的,而第3組數據最為理想。由于10～11#電源單元為相同的電源單元,為驗證優化后的散熱器的散熱效果,按照第3組數據設定散熱器參數,并進行仿真計算,經過185步迭代運算,殘差收斂,溫度云圖如圖7所示,全局溫度最高出現在10#電源單元DC -DC模塊上,最高溫度為73.259℃,11#電源單元DC-DC模塊最高溫度為71.4674℃,與優化前相比,全局溫度和10#電源單元DC-DC模塊溫度降低了15.3802℃,11#電源單元DC-DC模塊溫度降低了12.5576℃,效果明顯,符合要求散熱要求。

圖5 優化后的溫度云Fig.5 Optimized temperature cloud photograph

5 結 語

對于可靠性要求高、使用環境特殊的通信電子設備,在進行結構設計時,利用Icepak軟件對散熱方案,進行分析評估,確認可行性,并對重點部位進行優化設計,在對參數化優化仿真的結果進行選擇時,既要關注溫度指標,又要注意質量、加工工藝性、成本等相關因素,綜合考慮選擇最均衡的方案。本次熱設計的整個過程表明,Icepak軟件在熱設計不僅能夠減少不必要的理論計算,也消除理論計算的誤差,能夠縮短開發周期,真正提高產品的可靠性,降低成本。

[1] 邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社,2005.

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

[2] 吳圣陶,曾柯杰,劉恒.接觸熱阻的計算及ICEPAK環境下的數值模擬[J].通信技術,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] 劉忠紅.一種機載電子設備的熱設計與熱性能測試[J].電子計算機與外部設備,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] 趙惇殳.電子設備熱設計[M].北京:電子工業出版社,2009.

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

[5] 景莘慧,陳文鑫.大功率電源模塊的散熱設計[J].電子機械工程,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.

張學新(1979—),男,學士,主要研究方向為軍用電子裝備結構設計;

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

陳正江(1977—),男,碩士研究生,主要研究方向為軍用電子裝備結構設計。

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

A

1002-0802(2014)09-1104-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.026

劉 恒(1980—),男,學士,主要研究方向為軍用電子裝備結構設計;

2014-07-21;

2014-08-26 Received date：2014-07-21;Revised date：2014-08-26