熱仿真與汽車音響設計

摘 要：簡述了電子產品失效的主因和傳統的熱設計的基本公式，說明了采用仿真軟件進行熱仿真的意義。并進一步闡述了熱仿真技術在汽車音響散熱片設計和整機設計中的應用。

關鍵詞：熱仿真；工作溫度；傳導；對流；軸射；散熱片

1 電子產品的熱失效

據統計，熱失效是電子產品最主要的失效原因，溫度超標引起的失效占所有失效的55%以上。不合理的熱設計，將引起一系列的產品問題：（1）使元器件的工作溫度超標，加速產品的失效；（2）產生熱應力，使產品翹曲變形，甚至損壞；（3）嚴重時引起高溫部分燒焦，甚至引起火災。因此如何合理的熱設計，降低產品的工作溫度，將是產品設計工程師的一項重要工作。

2 熱仿真

影響散熱三要素為傳導、對流和幅射。這三要素的基本公式如下所示。

導熱的基本定律-傅立葉定律：

對流換熱-牛頓冷卻公式：

輻射能力：

從上述公式可看出，采用更好的導熱材料（導熱系數），增加散熱材料厚度；增加散熱面積（對流換熱面積），甚至采用風扇、冷卻液等強制冷卻；增大表面幅射（表面黑度）等，均能有效地散熱。

但汽車音響作為車載電子設備，因其空間有限，散熱片越小越好；同時產品競爭激烈，經濟因素也是產品設計必須考慮的關鍵因素。采用最合理的散熱設計，是產品設計工程師面臨的一項難題。復雜的熱設計公式，使工程師無從下手；而各種不規則產品的形狀，不規則工況，僅采用三個基本公式已無法算出實際散熱效果，更使傳統的熱設計望而生畏。

隨著電腦技術的快速發展，仿真技術也得到迅速的發展，仿真技術已開始進入普及使用階段，越來越多公司采購了仿真軟件。熱仿真軟件使熱設計由復雜、深奧、難懂專業設計，變為只要具有些專業知識和相關的設計經驗就可進行的設計。

現市場常用的熱仿真軟件很多，常用的有：

ICEPAK：一款由ANSYS公司出品的專業性分析軟件，功能強大，但其網格較復雜，對于非專業仿真工程師而言，較難操作。

Flotherm：由Mentor公司出品，是目前最優秀的熱仿真軟件，功能強大，但類似于ICEPAK，對非專業仿真工程師而言，難于操作。其價格上也較貴。

FloEFD：也是由Mentor公司出品，是一款面向工程師的仿真軟件，操作簡單，仿真速度快，非常適宜產品設計工程師進行邊設計邊仿真工作。

至于采用哪種軟件，可據產品的特點、熱設計的要求、仿真的投入，并綜合考慮客戶的需求而選用合適的軟件。

3 熱仿真在汽車音響設計的應用

3.1 散熱片設計

散熱片是針對發熱量大的元器件，如功放IC等專門設計的散熱部件。散熱片設計是汽車音響熱設計中最重要的一環。利用熱仿真技術，能快速分析散熱片的散熱情況，把握改正方法和方向。

目前汽車音響的散熱材料一般采用鋁板或鑄鋁，所以仿真也從此兩方面考慮，以分析散熱片是符合要求，及選用材料、工藝等。

如圖1所示，是對散熱片進行仿真的結果，從圖上可直觀看出散熱片的溫度狀況。

（1）溫度偏高，散熱片的最高溫度達184.59度。

（2）熱傳導不足，散熱片的最高溫度與最低溫度差約50度。

為了改善散熱效果，需從影響散熱的三要素考慮。

方法1，增加散熱面積。

仿真結果散熱片的最高溫度雖有所降低，但仍高達182.68度，散熱改善不明顯。

方法2，增加表面幅射系數。

仿真結果如圖2示，散熱片最高溫度降為149.74度，下降明顯。這是因為鋁板散熱片為銀色，輻射系數小，但發黑處理后，輻射系數大幅提高，也即提高了散熱的散熱能力。散熱片的最高溫度和最低溫度差為30多度，有了明顯的降低，這主要是因為輻射降溫造成的，散熱片發黑并沒有改善散熱片的熱傳導能力。

方法3，增加散熱片的熱傳導能力。

現將散熱片的厚度，由3mm增加到4mm，增加散熱片的橫截面積，從而增加散熱片熱傳導能力。在不采用發黑處理情況下，仿真結果如圖3示，散熱片最高溫度147.9度，下降也較明顯。

方法4，更換材料和設計。

將材料改為鑄鋁，鑄鋁的熱輻射比鋁板高，熱傳導能力較差。但是因采用鑄造生產，中間可以加厚，以改善熱傳導，也即同時增加了散熱片的輻射和熱傳導能力。仿真結果如圖4示，散熱片最高溫度145.68度，下降也明顯。

以上的每個仿真時間只需不到10分鐘，設計人員可以邊設計邊仿真，可以快速分析和判定現設計方法有無問題；采用新優化設計后效果怎樣；采用哪種方法散熱更佳等。并綜合產品的需求，包括時間進度、成本及交貨等因素，選用最合理的方法。

3.2 整機熱設計

對于整機產品來說，除了散熱片外，產品的布局和結構設計也對散熱效果影響很大。

如圖5示，在外殼上開了散熱圓孔后的仿真結果，產品內的竄動氣流明顯減少，熱空氣大部分從散熱孔流出，同時也將機內的熱量帶走，起到很好的散熱作用。

因此通過熱仿真能很快分析產品設計存在什么問題，并對優化措施的效果作出了判定。我們很易判定，產品應采用有散熱孔的方案。

此外，汽車音響工作溫度較高，但很多元器件有其工作溫度的限制，為了保證產品的質量和使用壽命，需要控制好各關鍵部件的工作溫度。按傳統的方法，需要對產品進行打樣、組裝和溫升測試，利用各溫度探頭來測量各部件的溫度。這種方法時間長（有時需數周時間），費用高（各種樣品費用及工時投入），而且還會因操作人員的測試手法而產生差異。

利用仿真技術，只要有3D模型，就可進行仿真測試，不必產生額外的費用，而且時間短，一天內就可完成分析。

4 結束語

仿真技術的利用，改變了傳統的設計模式。我們可以邊設計邊仿真，甚至在方案評估階段就可進行仿真確認，使產品的問題在設計過程中提前發現并解決，降低設計成本和設計周期，也使產品的設計產量不再依賴于設計擔當的能力。熱仿真作為仿真分析一個部分，對于長期在較高溫度下的汽車音響類產品，效果更明顯。