智能監控器的散熱仿真

王春未 張義芳 王 云 周 路

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著鐵路的高速發展，鐵路對電源屏提出了越來越高的要求。高度集成的IC電路系統放置于電源模塊中，使得新型電源屏具有高可靠性、高效率、高安全性、網絡監控等優點。但是高度集成的電路系統、模塊的小型化以及狹小的機箱空間等，造成IC非常高的熱流密度。目前，IC的表面熱流密度高達10×4～10×5 W/m2量級，并且有繼續增加的趨勢。熱量的不斷累積，勢必使電路內部溫度過高，容易導致電路失效；另外，高溫也會大大縮短IC的壽命，因此電源模塊的過熱問題越來越突出。開發人員必須采用合理的冷卻方式，優化電源模塊內部結構布局，以保證IC模塊處于合理的工作溫度，大大提高電源屏系統的熱可靠性。

新型智能電源屏結構復雜，使用傳統的熱設計方法已經不能有效準確地預測電源模塊的溫度。而基于計算流體動力學和數值傳熱學的熱仿真技術能夠滿足目前的熱設計，特別隨著商用熱仿真軟件的完善，采用熱仿真軟件對電子產品進行溫度預測得到了越來越廣泛的應用。借助熱仿真手段，可大大縮短研發周期,降低試驗成本，提高產品的一次性成功率。

本文以智能電源屏系統中的智能監控器模塊為例，采用Ansys Icepak對智能監控器模塊的不同散熱結構進行仿真分析，優化智能監控器模塊的結構，對智能監控器模塊的研發設計具有很好的指導意義。

2 物理模型及方案設計

智能監控器模塊包括以下器件：前側顯示屏、殼體、75 W電源（熱耗為3.5 W）、2個50 W電源（熱耗為2.5 W）、控制PCB板及各IC、后置連接器及母板，總熱耗為20.1 W。其中PCB板是6層板,外殼材料為鋁型材。忽略幾何模型中倒角、螺絲螺母等小特征，得到適合CAE熱仿真需要的幾何模型。結構示意如圖1所示。

由于自然冷卻成本低、結構簡單、可靠性高，因此智能監控器模塊的散熱方式選擇自然冷卻（需要考慮傳導、對流及輻射換熱）。工作環境為20℃，模塊外殼采用陽極氧化的表面處理方式，其發射率為0.8。模塊的上下蓋板具有相同的尺寸以及開孔率。第一種方案為：開孔孔徑為9 mm，開孔個數為15×10，開孔率為0.152 6；第二種方案為：開孔孔徑5 mm，開孔個數為31×21，開孔率為0.204 4。首先比較不同開孔率監控器模塊電源散熱特性的影響。

3 熱仿真計算及結果

根據電子產品熱仿真的要求，采用Ansys公司的Designmodeler軟件將三維CAD幾何模型導入Ansys Icepak，建立合理的熱路模型，其熱仿真模型如圖2所示。

在Ansys Icepak中對建立的熱仿真模型劃分合理的網格，設置自然冷卻的邊界條件，軟件會自動求解Navier-Stokes方程。圖3為主控制板的溫度分布云圖，從圖3中可以看出，方案一比方案二高0.1℃左右。

圖4為3個監控器模塊的溫度分布云圖，經過比較，可以發現，方案一比方案二高0.24℃。這主要是由于方案二開孔率稍大，使得氣流可以較好地冷卻三個電源。

圖5為切面的速度矢量圖，可以看出，機箱四周空氣在自然冷卻作用下，從下往上流動。根據方案一、二的計算結果，機箱上下殼體選擇方案二的結構，開孔個數為31×21。

4 方案優化

由于監控器模塊被放置于電源屏系統中，其周圍的熱環境比較惡劣，為了保證電源模塊的熱可靠性，現需要對主控制板進行優化設計。自然冷卻是完全靠冷熱空氣的密度不同而引起外部空氣的流動，因此空氣與器件間的換熱系數比較低。因此在自然冷卻狀態下，只能增大器件與空氣的接觸面積，才能更好地將器件的溫度降低，以提高器件的熱可靠性。

根據主控制板的尺寸及模塊內部的空間要求，現提出如下設計方案。

方案三：在方案二的基礎上，主控制板上安裝一鋁散熱板，與CPU等器件接觸的一面被洗出部分凸臺，在此散熱板與器件間，涂抹相應的導熱膏，以減小器件與散熱板的接觸熱阻。

方案四：在方案三的基礎上，增加一散熱器，以有效降低CPU的溫度。其中散熱器尺寸為基板4 mm，共12個翅片，每個翅片厚2 mm，翅片高度為21 mm。

5 優化計算結果

同樣，通過Ansys Designmodeler和Ansys Icepak建立正確合理的熱仿真模型，對監控器機箱進行求解，可以得到方案三、四的計算結果，如圖6，圖7，圖8所示。由于主控制板熱率較大，又處于監控器機箱后側，不易被空氣冷卻，因此主要比較主控制板的溫度分布。

從圖3和圖6可以看出，方案三比方案二的溫度降低了14.65℃左右，主要是因為鋁散熱板可以有效地將CPU、FPGA、PCI等器件的熱量通過傳導、輻射換熱及自然對流的方式散發到空氣中，增大了散熱面積，有效地降低了器件的溫度。從圖7可以看出，方案四比方案三的溫度降低了5.03℃左右，主要是散熱板外加的散熱器導致的，一方面增大了輻射換熱與對流的換熱面積，另一方面，散熱器的槽形結構導致器件與空氣的對流換熱系數增大，可有效地降低器件的溫度。圖8所示為機箱外殼的溫度分布。

6 結論

在智能監控器模塊的預研階段，通過使用Ansys Icepak對其進行了熱仿真，主要比較了不同開孔率對整體模塊的散熱影響；由于主控制板熱耗較大，為提高其熱可靠性，對其進行了不同方案的優化設計，通過相應的熱仿真，可以看出，方案四的主控制板最高溫度為48.8℃,與原始方案比較，降低了約19.67℃。

因此，在電子產品的預研階段，使用專業的電子產品熱仿真軟件Ansys Icepak可以有效地指導結構工程師對產品進行結構優化設計，提高產品熱設計的效率和質量，大大節約成本和時間，以提高產品的熱可靠性。