Ansys仿真技術在電子產品熱設計中的應用

阮 健

(同方電子科技有限公司,九江 332007)

0 引 言

為適應設備小型化的要求,電子器件的集成度越來越高,功率密度不斷增加,設備工作中因溫度過高引起的失效問題日益突出。如果發熱器件的熱量不能及時散發出去,熱量就會不斷積累,這將導致設備可靠性大大降低,當溫度達到或超過器件的最高允許溫度時,器件將受到損壞。如何有效控制產品內部所有電子元器件的溫度,使其在所處的工作環境條件下不超過標準及規范所規定的最高溫度是熱設計迫切需要解決的問題。傳統的熱設計是利用傳熱學的大量公式和表格,進行計算分析或根據經驗獲得,計算量大,且不能得到詳細的解。利用Ansys專業分析軟件進行仿真分析,能夠獲得較為真實的數據,為產品熱設計提供有力的參考依據。

1 熱分析軟件的特點

Ansys軟件是一款集熱分析、結構分析、電磁場分析、流體分析和多物理場分析為一體的專業仿真分析軟件。其中的Icepak是針對電子產品熱分析的專業化分析模塊。它以傳熱學為基礎,采用有限體積法模擬設備的工作環境。具有專業的流體動力學求解器,計算精度高,能夠分析各種流體狀態;同時它還提供了電子設備熱分析中常用的所有組件,使得建模變得簡單。Ansys軟件還為用戶提供了材料庫、風扇庫,調用方便,能夠解決系統級、印制板級、器件級的熱分析問題。

2 應用實例

2.1 問題描述

某電子設備要求工作溫度55℃,整機耗散功率50 W,布局如圖1所示。機箱尺寸:寬×深×高=420 mm×450 mm×88 m。機箱材料:防銹鋁5A06。內部發熱部件:電源單元(耗散功率18 W),印制母板(耗散功率12 W),接口板(功率較小),處理板(耗散功率20W)。因處理板發熱器件非常集中,熱量密集,單靠后面板上的風機吸風散熱效果不理想,如何布置內部風道,對發熱器件集中風量散熱是熱設計的關鍵問題。

圖1 設備布局示意圖

2.2 建立模型

利用Ansys進行熱分析,一般分5個步驟:建立模型;劃分網格;設定問題參數和邊界條件;求解計算;后處理。Ansys提供了各種電子設備的常用器件模型,可較方便地建立模型。根據實際情況,前面板通風孔采用柵格模型,風扇采用2d exhaust模型,電源采用block模型,隔板用plate模型。因電源單元有少量的通風,在電源單元前側加一個風阻較大的柵格進行模擬。完整模型如圖2所示。

圖2 熱分析模型圖

建立模型后,需劃分網格,網格劃分的好壞將影響計算精度和計算時間。一般來說,細網格模型的計算精度較高,但網格細化后獲得的網格數量急劇增加,計算時間很長。為此,盡量以粗網格劃分模型,對薄板、薄壁部分進行細化處理,以達到較為理想的網格。

2.3 求解計算

在求解計算之前,還需設定環境溫度、迭代次數、檢查雷諾數等。運行 Solution settings/Basic settings,點擊Reset,在信息窗口得到 Reynolds數和Pelect數分別為37942和26882,說明計算出的雷諾數在紊流范圍內。調整初始設置為紊流,環境溫度為55℃,迭代次數為100,計算結果的收斂情況如圖3所示。

圖3 計算結果收斂示意圖

2.4 后處理

后處理顯示諸如最高溫度、流速及溫度場分布等數據,從而幫助設計和分析人員迅速了解和評估設計方案,決定是否需要修改設計模型,以便得到更為合理的設計方案。圖4、圖5是以上計算結果的溫度分布圖和氣流速度矢量圖。

圖4 溫度分布圖

圖5 氣流速度矢量圖

從溫度分布圖中發現,器件的最高溫度達到191℃,遠遠高于允許值80℃。從流場分析圖中發現,工作時風是均勻地流過機箱內部,過于分散,需進行改進設計。

2.5 方案優化

根據以上分析結果,做了方案2,首先重新選定風機,選擇YM系列38 mm厚的風機,風量較大。其次在機箱內部加裝隔板,并在發熱器件相對應的位置開通風孔,迫使風從發熱器件部位集中通過,形成風道,如圖6所示。方案3在方案2的基礎上將隔板通風孔改為風機,如圖7所示。

圖6 方案2示意圖

圖7 方案3示意圖

2.6 優化后結果分析

根據優化方案2修改模型,重新劃分網格,求解計算后溫度分布如圖8所示,器件最高溫度下降到103℃,依然高出器件溫度極限。

圖8 方案2的溫度分布圖

根據優化方案3,修改模型,求解計算后器件最高溫度下降到101℃,與方案2相差不大。至此調整風道已不能滿足設計要求。為了進一步降低器件溫度,在每個發熱器件上加裝1個散熱器,利用傳導使熱量迅速傳遞到散熱器中,增大了散熱面積。通過計算,器件的最高溫度下降到77℃,滿足使用要求。溫度分布和氣流分布如圖9、圖10所示。

圖9 方案2優化后的溫度分布圖

圖10 方案2優化后的氣流分布圖

2.7 實測結果比較

此設備通過55℃高溫試驗,設備運行良好,無器件過溫超負荷現象,充分說明了Ansys軟件仿真數據的準確性。

3 結束語

應用Ansys軟件強大的熱分析功能,在電子設備設計過程中通過模擬分析,設計師在設計階段就能預測到各元器件的工作溫度和設備內部氣流分布情況。經過改變各種設計參數,不斷地改進設計,糾正不合理的布局,找到最佳的設計方案,從而對電子設備進行有效的熱控制,縮短了設計的研制周期,提高了電子設備的可靠性,同時避免了生產昂貴的實際樣機,節約了成本。

[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.

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