筆記本電腦散熱系統優化設計

摘要：為了提高筆記本電腦散熱器的散熱性能，文章提出了基于翅片質量和綜合散熱性能的多目標優化方法，在CFD軟件中基于流固耦合的方法對翅片的傳熱性能進行計算和分析?；谀晨罟P記本電腦的散熱系統建模，采用消費電子行業商業熱分析軟件Flotherm對系統進行穩態熱仿真求解，利用軟件的DOE多目標優化設計功能，對翅片散熱器進行優化設計，找出可以平衡換熱量、換熱效率、重量等多因子變量的最優解。結果表明，采用0.15mm厚的鋁翅片可以使樣機的散熱能力達到最大，翅片表面的溫度分布最均勻，且散熱模組重量最輕，是最優的設計選型。

關鍵詞：筆記本電腦；翅片；仿真；DOE設計

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）19-0136-03

1 筆記本電腦散熱研究現狀

筆記本電腦的厚度較小，內部的電子元器件的布置非常緊湊，從而導致主機系統內的流動阻力很大，所以，筆記本電腦一般采用離心風扇來保證足夠的風壓。筆記本電腦一般是將主板上發熱芯片的熱量利用熱管和翅片導出到筆記本電腦的邊緣，利用離心風機將熱量吹到環境中去。時至今日，散熱問題已經成了輕薄化筆記本發展的瓶頸。芯片的熱量通過熱管傳遞到翅片上，通過風扇和翅片的強迫對流散熱，最終將熱量散失到環境空氣中。而翅片的換熱效率以及重量都會影響整機的性能和參數，從而翅片的設計和優化格外重要。隨著CFD技PEgmCzwoncNEj/zMx+r90zXy+mwOuBd8aRvdu1yh5ZQ=術的發展，利用一些商業軟件對翅片散熱器進行DOE優化設計，找出可以平衡換熱量、換熱效率、重量等多因子變量的最優解，成為一個重要的研究方向[1-5]。優化的散熱器結構可以實現降低熱阻，提高換熱效率，并且減輕重量的效果。通過分析仿真結果從而評估出最佳的散熱方案，為筆記本電腦的選型提供依據，減少了多次制作樣機的費用和研發周期。

本文旨在通過Flotherm軟件對某型號筆記本電腦進行數值模擬，利用DOE設計選型，選擇最佳的散熱模組翅片厚度、間距、材料，根據DOE仿真結果，從散熱量、重量、翅片等多方面進行分析，選取最佳的設計方案。

2 仿真模型

2.1 物理模型

本文采用Flotherm軟件對某整機筆記本電腦進行熱仿真計算，正常情況下，整機系統仿真需要將整機系統的三維模型均體現在仿真模型中，便于監控系統各處的流場和溫度場。但是，由于筆記本電腦顯示器部分產熱量較少，散熱面積較大，且顯示器結構對系統散熱影響較小，因此，本文中的仿真模型主要針對筆記本電腦機殼、散熱系統及內部主要零部件，暫時將顯示器結果部分取消。

為了簡化計算，本文將整機主板主要發熱元件進行建模計算，包括CPU、memory、SSD以及一些用于這幾個大的元器件供電的Choke和MOS，其余的一些功耗很低的元器件還有一些小的被動元件均忽略不計。在整機模型中，會采用region功能對局部網格進行加密，加密區域集中在CPU、fin等位置，模型的溫度檢測點位于CPU、SSD、Choke、MOS等大的元器件處以及處于本文重點研究領域的fin的幾個關鍵點位處，并對fin區域的關鍵點位的流場進行監控。

2.2 關鍵參數設置

仿真模型各處的材料熱物性數據，尤其是大的發熱元件的疊層結構、材料導熱系數等信息均會影響仿真結果的真實性，為了更加準確地模擬出模型的真實溫升，需要測量及調研各主要器件的熱物性參數[1-4]。

2.2.1 CPU 建模

CPU芯片詳細封裝結構比較復雜，包括焊球、芯片、樹脂、基板、銅線層等信息。在系統級別的熱分析中，為簡化計算設置，芯片等小器件都被考慮成了一個實體塊，但是這樣粗略的設計會導致計算結果不夠準確。為了提高計算精度，需要相對精確的建模方法。本文采用了雙熱阻模型建立CPU模型，可以提高模型的計算準確度。

2.2.2 MOS、Choke 導熱系數

MOS 的模型結構和Choke 的實物結構如圖1 所示，由圖1可知，MOS的PN結和 PCB主板間存在一粘接層。封裝結構頂部通過導熱墊片與散熱模組的散熱蓋板相連，封裝結構內部填充有環氧樹脂。在Flo?therm軟件中，仿真模型對MOS按照如下方式設計：雙層結構，上層與導熱墊片接觸，導熱系數與環氧樹脂相同為2W/（m·K）；下層與PCB主板連接，其導熱系數根據PN結和封裝表面熱阻值綜合計算MOS的導熱系數為 2.28 W/（m·K）。在圖1 Choke的實際結構中，主體為粉末狀金屬，粉末狀金屬內部包含有銅線圈。為簡化處理，將Choke視為一均勻體熱源。常見的開關電源鐵心材料為鐵氧體、粉末鐵心（包括鐵鎳鉬、鐵鎳合金、鐵硅鋁合金和鐵粉心等）與正常金屬合金相比，其導熱系數偏低。常溫下鐵的導熱系數為80W/（m·K）， 因此，本文將 Choke導熱系數折算為60 W/（m·K）。

2.2.3 其他參數

筆記本電腦散熱模組的翅片形態、尺寸、厚度、間距都會對其散熱性能有影響。日常設計時，需要對翅片進行優化，從價格、重量、散熱量等多種角度考量后，選取最優的選型。為了方便進行多參數優化，必須利用Flotherm軟件中的智能元件建模。

3 仿真過程及結果

3.1 DOE 設計過程

在Flotherm 軟件中，為了對散熱器進行優化設計，選取4個主要參數進行DOE優化設計計算，分別為齒數、齒高、齒厚、基板厚度。結合實際物理模型，這些參數之間也有一些相關性關系，提前設定好這些關系，可以減少無效計算量。

通過此參數設計，主要目的是分析不同的散熱器參數條件下對散熱器本身的溫度以及散熱器重量的影響情況。因此，為了評價不同參數對散熱器本身的溫度和重量的影響差異，需要將散熱器溫度和重量作為Cost評價值。例如，將散熱器案例設定溫度目標后，該值越小，說明越接近目標值。

當以上參數設定完畢后，選擇設定DOE正交實驗，則可以發現在Scenario Table中已經創立了對應數量的實驗分組。在設計DOE實驗過程中，如沒有約束好變量的關系，會造成某些實驗不合理?？梢蕴崆巴ㄟ^Scenario Viewer逐一檢查，刪除不合理的實驗組，減少計算量。

3.2 DOE 計算結果

經過20種組合計算后，根據計算結果進行圖表繪制，圖2是Heat Sink的Cost、質量、溫度等數據的離散情況。從圖中可以看出，20組設計的DOE實驗針對各種相應目標的分布情況，大部分實驗方案的Cost是相對較低且集中在6附近，另外，大部分實驗方案的Heat Sink溫度是滿足70℃以下的，符合設計要求。

3.3 反應面變化圖

通過Flotherm 軟件中的Chart—Response surfaceViewer功能來實現三維顯示目標輸出變量隨著兩個主要變量的變化圖。如還有其他輸入變量，可以通過點擊Variables拖動其他變量，觀察三維發生的變化。如圖3 為Cost Function 隨著Heat Sink 的Base Think?ness和Internal Fin Height的高度這兩個參數變化過程的反應面變化圖?？梢钥闯觯S著這兩個參數的降低，Cost大致是逐漸降低的。而圖4為Heat Sink溫度隨著Base Thinkness和Internal Fin Height這兩個參數的反應面變化圖。散熱器的Fin越高，散熱面積越大，散熱效果越好，散熱器的溫度越低；但是由于BaseThinkness和Internal Fin Height有相關性，二者交互影響散熱器的散熱效果。從圖4 可以看出，當BaseThinkness≤1mm時，對散熱器的溫度最有利。

3.4 散熱器選型

從圖3、圖4中可以看出，散熱器的齒數、齒高、齒厚、基板厚度均是交互影響的參數，綜合影響了散熱器的成本、溫度、質量等因素。綜合本方案中的DOE 設計模型以及實際的工藝制作能力，將齒高設計為4mm、基板厚度設計為1mm，再進行計算，得到三種厚度翅片表面溫度分布，與表1中三種不同翅片厚度條件下的流場特征進行對比，發現0.15mm的翅片厚度的流場效果最好，流速最高，且最均勻，翅片表面的溫差最小，是本案中的最佳設計方案。

4 結束語

本文采用Flotherm 軟件對某型號筆記本電腦建立仿真模型，尤其對其散熱模組中的散熱器進行智能建模，并針對其齒數、齒高、齒厚、基板厚度等參數進行DOE 優化設計計算，在計算的過程中以散熱器處的質量流率和散熱器自身的溫度作為優化目標值，經過計算，結果如下：1） 本文采用查找專業書籍，拆解分析以及實際測試等各種方法尋求關鍵元器件的熱物性等仿真數據的來源合理性。2） 建立整機模型，并采用DOE 優化設計模型對散熱器建立了20 組不同的計算方案，經過篩選后再進行設計計算，根據計算結果，分析了齒數、齒高、齒厚、基板厚度等因素對散熱器的成本、表面溫度以及散熱器重量等多種目標值的影響反應面變化效果。3） 通過各種反應面變化圖以及實際工藝制造水平綜合進行分析，本文將齒高設計為4mm、基板厚度設計為1mm是最優的選擇。4） 基于齒高為4mm、基板厚度為1mm的前提下再進行優化設計翅片厚度，分析了不同的翅片厚度對應翅片表面溫度分布、流場平均流速、流速分布差異均不同，從仿真結果來看，0.15mm厚度翅片對應表面溫度分布最均勻，平均流速最大、流場分布最均勻，對應的翅片處的流阻越小。

參考文獻：

[1] 尤尼斯·夏班尼 （Younes Shabany）. 傳熱學：電力電子器件熱管理[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[2] 余建祖，高紅霞，謝永奇. 電子設備熱設計及分析技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3] 徐維新，等. 電子設備可靠性熱設計指南[M]. 北京：電子工業出版社，1995.

[4] 王占國，陳立泉，屠海令. 中國材料工程大典（第11卷）[M].北京：化學工業出版社，2006.

[5] 張銀亮，蔡慧坤，沈超. 工程機械百葉窗翅片式散熱器的多目標優化設計[J]. 中國工程機械學報 2016（6）：508-514.

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