熱仿真與汽車音響設計

摘 要：簡述了電子產(chǎn)品失效的主因和傳統(tǒng)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(shù)在汽車音響散熱片設計和整機設計中的應用。

關(guān)鍵詞：熱仿真；工作溫度；傳導；對流；軸射；散熱片

1 電子產(chǎn)品的熱失效

據(jù)統(tǒng)計，熱失效是電子產(chǎn)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(chǎn)品問題：（1）使元器件的工作溫度超標，加速產(chǎn)品的失效；（2）產(chǎn)生熱應力，使產(chǎn)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(chǎn)品的工作溫度，將是產(chǎn)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(shù)），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(chǎn)品競爭激烈，經(jīng)濟因素也是產(chǎn)品設計必須考慮的關(guān)鍵因素。采用最合理的散熱設計，是產(chǎn)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(guī)則產(chǎn)品的形狀，不規(guī)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(tǒng)的熱設計望而生畏。

隨著電腦技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)也得到迅速的發(fā)展，仿真技術(shù)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(yè)設計，變?yōu)橹灰哂行I(yè)知識和相關(guān)的設計經(jīng)驗就可進行的設計。

現(xiàn)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(yè)性分析軟件，功能強大，但其網(wǎng)格較復雜，對于非專業(yè)仿真工程師而言，較難操作。

Flotherm：由Mentor公司出品，是目前最優(yōu)秀的熱仿真軟件，功能強大，但類似于ICEPAK，對非專業(yè)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(chǎn)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(jù)產(chǎn)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(fā)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(huán)。利用熱仿真技術(shù)，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(jié)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(jié)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(shù)。

仿真結(jié)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(shù)小，但發(fā)黑處理后，輻射系數(shù)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(fā)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(xiàn)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(fā)黑處理情況下，仿真結(jié)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(chǎn)，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(jié)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(xiàn)設計方法有無問題；采用新優(yōu)化設計后效果怎樣；采用哪種方法散熱更佳等。并綜合產(chǎn)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(chǎn)品來說，除了散熱片外，產(chǎn)品的布局和結(jié)構(gòu)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(jié)果，產(chǎn)品內(nèi)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(nèi)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(chǎn)品設計存在什么問題，并對優(yōu)化措施的效果作出了判定。我們很易判定，產(chǎn)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(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命，需要控制好各關(guān)鍵部件的工作溫度。按傳統(tǒng)的方法，需要對產(chǎn)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(shù)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(chǎn)生差異。

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

4 結(jié)束語

仿真技術(shù)的利用，改變了傳統(tǒng)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(chǎn)品的問題在設計過程中提前發(fā)現(xiàn)并解決，降低設計成本和設計周期，也使產(chǎn)品的設計產(chǎn)量不再依賴于設計擔當?shù)哪芰?。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(chǎn)品，效果更明顯。