基于Flotherm的某型電源模塊熱設計與優化

朱其安

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

隨著電子技術的快速發展，電源模塊不斷向小型化、輕型化和高功率密度方向發展，電源模塊的熱設計正面臨嚴峻的挑戰。研究表明，高溫對大多數電子元器件將產生嚴重的影響，它會導致電子元器件的失效，進而影響整個電子設備的可靠性［1－2］。據統計，電子設備的失效有55%以上是因為散熱不良引起的，當溫度為70～80℃時，每上升10℃，其可靠性下降50%［3－5］。因此，通過有效的熱設計將產品內部熱量快速地散發出去，控制電子元器件溫升，對電源模塊長期穩定地工作具有重要意義。

Flotherm軟件作為專門針對電子散熱領域的CFD軟件，可以方便快捷地模擬出設備內部溫度分布，能夠在產品開發初期快速識別潛在的散熱問題，大幅縮減散熱問題返工的成本，縮短產品設計周期。同時能夠通過數值仿真的方法來研究各種設計變動對產品造成的散熱影響，協助設計人員做出有利的設計決策［6－7］。本文以某型電源模塊為研究對象，使用Flotherm軟件對其進行散熱設計與優化，尋求最優設計方案，以獲得質量佳、可靠性高的產品。

1 電源模塊結構布局

電源模塊的外形尺寸為300 mm×150 mm×60 mm （長×寬×高），要求質量小于2.8 kg。電源模塊內部布局如圖1所示。由圖可以看出，電源模塊由殼體和蓋板通過螺釘組裝成一個密閉結構。綜合考慮電源重量和散熱要求，殼體和蓋板選用2A12鋁板整體銑削加工而成，該材料廣泛應用于軍工產品中，具有強度高、密度小、導熱性好和易于加工等優點。綜合考慮電磁兼容和輻射散熱效果，對結構件內表面采用導電氧化處理，外表面采用陽極氧化發黑處理，并在殼體和蓋板接縫處加工安裝導電橡膠繩的屏蔽槽。為了減輕電源重量，通過T型刀對殼體四周內壁局部減薄處理，減薄后局部厚度為2 mm，蓋板采用加強筋結構，加強筋以外地方厚度為2 mm。殼體內部安裝電路板和元器件。元器件主要包含模塊、連接器、濾波器、電容和指示燈，電源模塊的熱量主要由內部4個模塊的熱耗產生。

圖1 電源模塊內部布局

2 熱仿真分析

2.1 輸入條件

電源模塊極限工作環境溫度為55℃，采用自然冷卻方式散熱，器件最高溫升要求不超過40℃，即極限工作環境下，最高溫度不超過95℃。電源模塊主要發熱器件為內部4個模塊，總功耗約為54 W，如表1所示。

表1 電源模塊功耗表

該電源模塊損耗較大，并且為自然冷卻，故對主要發熱器件均采用直接貼殼體內壁安裝，并在殼體外部銑散熱片，增加散熱面積。根據以往設計經驗，考慮散熱需求、重量限制和加工工藝，初步將散熱片厚度設計為2 mm，散熱片個數為40，基板厚度為1.5 mm，散熱片高度為15.5 mm。為了使模塊和殼體接觸充分，減少接觸熱阻，在模塊和殼體內壁之間涂導熱硅脂，并通過螺釘固定壓緊，以增強散熱效果。

2.2 熱仿真分析及結果

應用Flotherm軟件進行熱仿真分析，就是根據實際對象建立熱仿真模型，并設置求解域、環境條件、材料和熱源等相關參數，然后進行網格劃分并求解，得出仿真數據，并對其進行研究分析。在使用Flotherm軟件進行計算之前，需要對仿真模型進行必要的簡化處理，去除不影響計算結果的屏蔽槽、安裝孔和圓角等特征，忽略指示燈、連接器和濾波器等發熱小的器件，最后將簡化的三維模型通過FloMCAD Bridge模塊導入Flotherm軟件中。為了模擬電源模塊極限工作環境，熱仿真的環境溫度設為55℃，考慮自然空氣對流、傳導和輻射換熱。劃分網格時要根據實際情況，在條件允許的情況下，可以盡量將網格劃的密一些，并可以對發熱元件進行局部網格加密。根據熱源分布情況，對電源模塊進行網格劃分，結果如圖2所示。

圖2 電源模塊網格劃分圖

使用Flotherm軟件進行初步計算求解后，通過后處理模塊Visual Editor得到電源模塊內部主要發熱器件的溫度云圖，如圖3所示。由圖可以看出，電源模塊內部最高溫度約為93.1℃，和最高溫度95℃的要求很接近，僅僅相差了不到2℃，安全余量設計不足，將嚴重影響電源模塊的可靠性。因此有必要對電源模塊的散熱結構進一步進行優化，控制發熱器件的溫升，增加安全余量。

圖3 電源模塊內部溫度云圖

3 散熱結構優化設計

3.1 散熱器基板厚度、散熱片高度的優化

發熱器件首先將熱量傳遞到殼體基板，基板再通過散熱片將熱量散到周圍空氣中，散熱器基板的厚度直接影響散熱的傳導效果。散熱器基板太薄，熱量無法順利地傳導到所有的散熱片，散熱片沒有得到充分的利用，容易導致溫度不均，局部溫度過高；散熱器基板太厚，不僅浪費材料，也增加產品重量，同時也會造成熱的累積，降低傳導能力。

考慮到強度、加工形變和重量限制，基板最小厚度取1.5 mm，最大厚度取6.0 mm。由于電源高度尺寸的限制，電源內部元器件占據了一定的空間，通過計算，散熱器的基板加散熱片高度之和最高為17 mm。當散熱片厚度為2 mm、散熱片個數為40時，利用Flotherm軟件參數優化工具，計算得出殼體散熱器基板厚度、散熱片高度和溫度的關系數據，如表2所示。由表可以看出，隨著基板厚度的增加，散熱片高度相應減少，器件的最高溫度基本上呈上升趨勢，表明散熱片的高度對散熱有重要的影響?；遢^薄時，散熱片較高，熱量更容易通過散熱片傳遞到空氣中，從而使熱源的溫度降低；基板較厚時，散熱片高度減少，散熱面積也變少，不利于熱量散出。但基板太薄確實會導致熱量無法傳導到所有散熱片，造成局部溫度過高。因此，有必要通過軟件進行優化，尋找基板厚度和散熱片高度的理想值?？梢钥闯?，相對于其他組合，基板厚度2 mm，散熱片高度15 mm時，電源模塊溫升比較低。

表2 散熱器基板厚度和溫度的關系數據

3.2 散熱片厚度、散熱片個數的優化

每增加一個散熱片，就相當于增加了一個散熱片表面積的散熱面，但當散熱片數量增加到一定程度時，散熱能力增加會變得緩慢，如果繼續增加散熱片數量，不僅增加了重量，也增加了加工難度，而且有時還會減弱散熱能力。散熱片厚度一定時，散熱片的數量有一個最佳數值，需要通過熱仿真進行優化得到［8］。為了減小加工的難度，且保證散熱片不變形，散熱片厚度不能太薄，工程上一般要求散熱片厚度大于或等于1 mm。

通過上述基板厚度和散熱片高度仿真優化，得出散熱片基板厚度為2 mm，散熱片高度為15 mm時，散熱效果較為理想。在此條件下，對散熱片厚度（設定散熱片厚度為t）分別為1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm時，對散熱片個數進行優化。通過Flotherm軟件參數優化工具，仿真計算得出對應不同散熱片厚度，散熱片個數和溫度的關系數據，如表3～6所示。

表3 散熱片個數和溫度的關系數據（t＝1 mm）

表4 散熱片個數和溫度的關系數據（t＝1.5 mm）

表5 散熱片個數和溫度的關系數據（t＝2 mm）

表6 散熱片個數和溫度的關系數據（t＝2.5 mm）

由表3～6可以看出，散熱片厚度一定時，隨著散熱片個數的增加，電源模塊最高溫度先是快速下降，然后趨于穩定，但隨著散熱片個數的進一步增加，電源模塊最高溫度開始緩慢上升。表明散熱片剛增加時，增加了散熱面積，增強了散熱效果。但散熱片增加到一定程度反而減弱了散熱效果，因為自然對流冷卻時，溫度邊界層比較厚，散熱片間距太小，兩個散熱片的熱邊界層易發生交叉，影響散熱片表面的對流，最終會減弱散熱效果。因此，散熱片不是越多越好，散熱片厚度和散熱片個數組合最佳時，散熱效果最佳。從仿真結果也可以看出，散熱片厚度t為1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm時，散熱片個數為70、65、50、40時最佳，器件最高溫度分別為86.25℃、87.72℃、88.77℃和91.29℃。由此得出，散熱片厚度為1 mm，散熱片個數為70時，散熱效果最佳，電源模塊最高溫度為86.25℃，滿足熱設計要求。通過三維模型估算，此時電源結構件質量約為1.5 kg，元器件估算不超過1 kg，電源整體質量約為2.5 kg，滿足熱設計要求的同時也兼顧了質量的要求。

4 結束語

按優化后的熱設計方案進行結構設計、加工，在整機裝配調試完成后，電源整體質量約為2.62 kg，滿足質量要求。同時，電源模塊通過了高低溫、濕熱、沖擊、振動和電磁兼容等各項環境性試驗。試驗結果表明，電源模塊滿足各項指標要求，工作穩定可靠。

本文利用Flotherm仿真軟件對電源模塊進行熱設計優化，在電源外形尺寸一定的情況下，充分考慮強度和加工工藝，通過對殼體散熱器基板厚度、散熱片高度、散熱片厚度和散熱片數量進行優化，尋找最佳設計參數。仿真和試驗結果表明：利用仿真軟件進行優化設計，可以有效地改善電源模塊散熱效果，和最初的設計相比，最高溫度降低了約7℃，提高了電源模塊的可靠性，同時也為同類型產品的設計提供了參考。