電子設備熱設計在仿真軟件中的運用＊

2012-06-07 01:51:46張萬俊

艦船電子工程 2012年10期

張萬俊

（揚州萬方電子技術有限責任公司揚州 225006）

1 引言

據統計，電子設備的主要失效形式是熱失效，有55%以上是因為冷卻系統設計不良所導致。隨著溫度的增加，其實效率成指數增長趨勢，甚至有的器件在環境溫度每升高10℃，失效率增大一倍以上，被稱為10℃法則。隨著現代設備小型化的要求，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。如果不采取有效的散熱措施，將導致設備的可靠性大大降低，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。如何有效的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。傳統的熱設計通常是根據經驗或應用有限的換熱公式進行預先估計，生產出成品后再通過實驗來檢驗，若不能滿足要求，就要經歷修改，再設計，再生產，再檢驗，如此反復的設計過程，這樣既浪費時間又浪費原材料。顯然這種傳統的熱設計方法已不能滿足現代化的生產需求。因此，在產品的設計階段就對其進行有效的熱仿真已是非常必要。利用ansys專業分析軟件進行熱仿真分析，確定出模型中的溫度最高點。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，消除其熱問題，使其最高溫度在允許的溫度范圍內，達到設計要求。

2 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（fluent），計算精度高，能夠分析各種流體狀態。同時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。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。

3 應用實例

1）問題描述

某電子設備要求工作溫度55℃工作，整機耗散功率50W。布局如圖1所示。

機箱尺寸：寬×深×高＝482.6mm×450mm×88.1mm。

機箱材料：合金鋁2A12。

內部發熱部件：電源組件（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。

2）建立模型

用ansys進行熱分析，一般分為五個基本步驟：建立模型、劃分網格、設定問題參數與邊界條件、求解計算和后核心。另外ansys還提供了各種電子設備的常用器件模型，可以比較方便的建立模型。

根據實際情況，前面板通風孔采用grille模型，風扇采用2dexhaust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（grille）進行模擬。完整模型如圖2所示。

圖1 設備布局示意圖

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，我們盡量以粗網格劃分模型，對薄板，薄壁部分進行細化核心，以達到較為理想的網格。

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Solutionsettings／Basic settings，點擊 Reset，在信息窗口得到Reynolds數和Pelect數分別為38219和27245，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。