智能監(jiān)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(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著鐵路的高速發(fā)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。但是高度集成的電路系統(tǒng)、模塊的小型化以及狹小的機(jī)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(dá)10×4～10×5 W/m2量級(jí)，并且有繼續(xù)增加的趨勢。熱量的不斷累積，勢必使電路內(nèi)部溫度過高，容易導(dǎo)致電路失效；另外，高溫也會(huì)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(fā)人員必須采用合理的冷卻方式，優(yōu)化電源模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(tǒng)的熱可靠性。

新型智能電源屏結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能有效準(zhǔn)確地預(yù)測電源模塊的溫度。而基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)的熱仿真技術(shù)能夠滿足目前的熱設(shè)計(jì)，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(chǎn)品進(jìn)行溫度預(yù)測得到了越來越廣泛的應(yīng)用。借助熱仿真手段，可大大縮短研發(fā)周期,降低試驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品的一次性成功率。

本文以智能電源屏系統(tǒng)中的智能監(jiān)控器模塊為例，采用Ansys Icepak對智能監(jiān)控器模塊的不同散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化智能監(jiān)控器模塊的結(jié)構(gòu)，對智能監(jiān)控器模塊的研發(fā)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

2 物理模型及方案設(shè)計(jì)

智能監(jiān)控器模塊包括以下器件：前側(cè)顯示屏、殼體、75 W電源（熱耗為3.5 W）、2個(gè)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(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

由于自然冷卻成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，因此智能監(jiān)控器模塊的散熱方式選擇自然冷卻（需要考慮傳導(dǎo)、對流及輻射換熱）。工作環(huán)境為20℃，模塊外殼采用陽極氧化的表面處理方式，其發(fā)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(gè)數(shù)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(gè)數(shù)為31×21，開孔率為0.204 4。首先比較不同開孔率監(jiān)控器模塊電源散熱特性的影響。

3 熱仿真計(jì)算及結(jié)果

根據(jù)電子產(chǎn)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(dǎo)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(wǎng)格，設(shè)置自然冷卻的邊界條件，軟件會(huì)自動(dòng)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(gè)監(jiān)控器模塊的溫度分布云圖，經(jīng)過比較，可以發(fā)現(xiàn)，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(gè)電源。

圖5為切面的速度矢量圖，可以看出，機(jī)箱四周空氣在自然冷卻作用下，從下往上流動(dòng)。根據(jù)方案一、二的計(jì)算結(jié)果，機(jī)箱上下殼體選擇方案二的結(jié)構(gòu)，開孔個(gè)數(shù)為31×21。

4 方案優(yōu)化

由于監(jiān)控器模塊被放置于電源屏系統(tǒng)中，其周圍的熱環(huán)境比較惡劣，為了保證電源模塊的熱可靠性，現(xiàn)需要對主控制板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(dòng)，因此空氣與器件間的換熱系數(shù)比較低。因此在自然冷卻狀態(tài)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(jù)主控制板的尺寸及模塊內(nèi)部的空間要求，現(xiàn)提出如下設(shè)計(jì)方案。

方案三：在方案二的基礎(chǔ)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(tái)，在此散熱板與器件間，涂抹相應(yīng)的導(dǎo)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(chǔ)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(gè)翅片，每個(gè)翅片厚2 mm，翅片高度為21 mm。

5 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

同樣，通過Ansys Designmodeler和Ansys Icepak建立正確合理的熱仿真模型，對監(jiān)控器機(jī)箱進(jìn)行求解，可以得到方案三、四的計(jì)算結(jié)果，如圖6，圖7，圖8所示。由于主控制板熱率較大，又處于監(jiān)控器機(jī)箱后側(cè)，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?yàn)殇X散熱板可以有效地將CPU、FPGA、PCI等器件的熱量通過傳導(dǎo)、輻射換熱及自然對流的方式散發(fā)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(dǎo)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(jié)構(gòu)導(dǎo)致器件與空氣的對流換熱系數(shù)增大，可有效地降低器件的溫度。圖8所示為機(jī)箱外殼的溫度分布。

6 結(jié)論

在智能監(jiān)控器模塊的預(yù)研階段，通過使用Ansys Icepak對其進(jìn)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(jìn)行了不同方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過相應(yīng)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(chǎn)品的預(yù)研階段，使用專業(yè)的電子產(chǎn)品熱仿真軟件Ansys Icepak可以有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)工程師對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，大大節(jié)約成本和時(shí)間，以提高產(chǎn)品的熱可靠性。