彈上用驅(qū)動器電路板熱仿真分析及試驗研究

井海明 弭 艷 張紅霞 任仲強(qiáng)

彈上用驅(qū)動器電路板熱仿真分析及試驗研究

井海明 弭 艷 張紅霞 任仲強(qiáng)

（北京航天動力研究所，北京 100076）

彈上用驅(qū)動器電路板工作于大氣層外真空狀態(tài)下，環(huán)境溫度為-45℃～60℃?？紤]環(huán)境的惡劣性，且彈上用驅(qū)動器工作時產(chǎn)生的熱量，為保障印制電路板（PCB）元器件處于正常工作的溫度范圍，進(jìn)行有效的熱仿真研究十分必要。本文對某型彈上用驅(qū)動器的PCB電路板進(jìn)行建模，利用以計算流體動力學(xué)（CFD）為核心的熱仿真軟件Icepak，分別進(jìn)行常溫常壓及真空環(huán)境下的熱仿真分析，并通過紅外測溫儀對常溫常壓下的彈上用驅(qū)動器進(jìn)行了溫度實測的試驗驗證，不僅驗證了本PCB板模型的準(zhǔn)確性，通過仿真分析還得出，各元器件的最大溫度都在允許的工作范圍內(nèi)，驗證了某型彈上用驅(qū)動器電路板熱設(shè)計的合理性。為高可靠性、多功能、高集成、適應(yīng)性強(qiáng)的電路板開發(fā)提供了有力保障。

印制電路板；熱仿真；計算流體動力學(xué)；Icepak

1 引言

彈上用驅(qū)動器具有小型化、集成化、高性能等特點，同時其工作環(huán)境惡劣且復(fù)雜，性能參數(shù)要求嚴(yán)格且多樣。因此，其熱性能對彈上用驅(qū)動器的可靠性十分重要，尤其是電子元器件，表面溫度可以影響電氣性能。溫度過低和過高，都會造成元器件的電氣性能失效，進(jìn)而影響其壽命和工作可靠性。根據(jù)電子行業(yè)元器件溫度法則可知，工作溫度每上升10K，元器件的失效率會提高一個數(shù)量級。因此，PCB電路板的熱設(shè)計是保證彈上用驅(qū)動器可靠性的主要因素之一。鑒于電子產(chǎn)品熱設(shè)計的重要性，許多專家和學(xué)者對電子熱設(shè)計進(jìn)行了大量的研究和論證。李琴等人利用熱仿真軟件對熱設(shè)計方案進(jìn)行仿真，并與實際方案進(jìn)行對比分析，驗證了熱設(shè)計方案的可行性[1]。參考文獻(xiàn)[2]中利用仿真軟件進(jìn)行熱設(shè)計，分別記錄仿真和實測的電路板及各元器件的溫度變化，熱仿真軟件的仿真溫度和紅外測試儀的實測溫度存在很小的差別。

利用熱仿真軟件進(jìn)行電路板的熱設(shè)計已成為設(shè)計者的重要手段[3]。相比經(jīng)驗設(shè)計，通過軟件進(jìn)行熱設(shè)計不僅節(jié)約大量時間，而且還可以反復(fù)驗證，避免電路板及電子元器件等原材料的浪費。同時，熱仿真軟件可應(yīng)用于產(chǎn)品的各個階段，有效的降低熱設(shè)計風(fēng)險，縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期[4]。

2 熱設(shè)計理論和研究方法

2.1 熱設(shè)計理論

由熱力學(xué)第二定律可知，物體間存在溫度差，能夠形成能量的轉(zhuǎn)移，即熱傳遞。根據(jù)熱傳機(jī)理，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射[5]。由于彈上用驅(qū)動器的工作狀態(tài)位于真空中，且處于密封環(huán)境，因此，不考慮由熱對流引起的電路板及元器件的溫度變化。

2.1.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對位移的情況下，借助微觀粒子如原子、分子、電子等，進(jìn)行熱運動，引起的熱量傳遞。由于電子元器件工作，勢必會將電能轉(zhuǎn)換成熱能。但同時又因為不同功率、不同體積、不同外觀的元器件產(chǎn)生的熱能是不一樣的，從而引起了溫度差。溫度高的元器件通過電路板將能量傳遞給溫度較低的元器件，這樣就形成了熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)過程，滿足傅里葉定律，如式（1）所示：

其中，是熱傳導(dǎo)系數(shù)，為熱傳導(dǎo)的熱量，為傳導(dǎo)面積，為兩傳導(dǎo)面之間的距離，為時間，為溫度。

2.1.2 熱輻射

物體由熱產(chǎn)生電磁波，將能量傳遞出去的過程稱為熱輻射。電子元器件之間不斷的發(fā)射和吸收熱輻射，同時熱輻射還有反射和透射過程。熱輻射之間的能量傳遞滿足斯特藩-玻爾茲曼定律，如式（2）所示：

其中，為絕對溫度，為黑體的輻射系數(shù)，絕對黑體=1；為斯特藩常數(shù)；為輻射力。

2.2 熱設(shè)計研究方法

Icepak是一種專業(yè)且成熟的熱學(xué)分析和仿真軟件。依托數(shù)字計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析法，能夠?qū)囟扔嬎憬Y(jié)果以圖像的形式表示出來。數(shù)字分析法結(jié)合有限元和有限差分法，遵循能量定律的情況下，建立能量轉(zhuǎn)換的微分和積分方程，并進(jìn)行離散化處理，將PCB和各元器件的溫度變化轉(zhuǎn)換成有限離散點上的溫度變化[6]。通過計算這些離散點的溫度，就可以快速獲取各元器件的溫度值。

3 電路板熱仿真實驗

利用Icepak熱仿真電路板，先建立PCB的模型，設(shè)定主要元器件的功率參數(shù)。設(shè)置Icepak的環(huán)境參數(shù)，，將建立好的模型自動劃分網(wǎng)格，然后運行求解[7]。如果求解不收斂，需要調(diào)整求解方程的迭代次數(shù)和計算步長等[7]。仿真流程如圖1所示，整個過程中最重要的是PCB模型建立和元器件參數(shù)設(shè)置。

圖1 電路板熱仿真流程圖

3.1 電路板建模

精確建立彈上用驅(qū)動器的電路板模型，對熱仿真結(jié)果非常重要。以某型號彈上用驅(qū)動器電路板為模型，PCB電路板的長度為134mm、寬度為111mm、厚度為2mm，PCB板的材料是絕緣材料FR4和附銅的多層復(fù)合材料（覆銅環(huán)氧玻璃布層壓板）。通過仿真計算可知，PCB板的切向?qū)崧蕿?6.6145W(m·k)，法向?qū)崧蕿?.376287W(m·k)，設(shè)置PCB板和各元器件的表面材料發(fā)射率均為0.8。同等比例下，將各元器件放置在PCB板的上下層。由于各元器件的發(fā)熱情況不同，建模過程中，篩選出功率較大的元器件并建模，其它無功率或者因脈沖工作僅產(chǎn)生極小功率的元器件忽略。各元器件分別用字母代替，建模情況如圖2所示。

圖2 PCB板建模結(jié)果

3.2 元器件參數(shù)設(shè)置

根據(jù)元器件的工作機(jī)理和性能參數(shù)，選擇功率較大且溫度變化大的元器件建模，其功率、耐溫、材料等具體參數(shù)如表1所示。

表1 建模元器件參數(shù)

3.3 模型網(wǎng)格劃分

在熱仿真實驗過程中，網(wǎng)格劃分是一個非常重要的步驟。劃分的網(wǎng)格越多，雖然可以提高仿真的精度，但是會影響計算效率。反之，網(wǎng)格劃分較少則會影響計算的準(zhǔn)確性[8]。因此，合理的網(wǎng)格劃分，才能兼容保證計算精度和計算效率。設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)格劃分參數(shù)[9]，并利用Icepak軟件的自動網(wǎng)格劃分功能，軟件根據(jù)建模的情況，智能劃分網(wǎng)格。

4 電路板熱仿真結(jié)果及試驗對比分析

根據(jù)某型彈上用驅(qū)動器電路板的實際工作狀態(tài)，選擇一種工作模式進(jìn)行仿真分析。通過分析可知，本工作模式下，溫度顯著變化的元器件有場效應(yīng)管(V1,V2,V13,V15,V17,V19)、片式電阻器(R7_1,R7_2,R7_13,R7_15,R7_17,R7_19)、電壓調(diào)整器（Tc）、電阻(R)和繞線電阻器(Rc_1,Rc_2,Rc_13,Rc_15,Rc_17,Rc_19)，因此，對這些元器件建模仿真分析。

4.1 常溫常壓下熱仿真分析及試驗驗證

為確保PCB板模型的準(zhǔn)確性和真空狀態(tài)下熱仿真結(jié)果的有效性，先在常溫常壓下對彈上用驅(qū)動器電路板熱仿真分析，設(shè)置仿真時間=200s，常溫常壓下=20℃，溫度分布云圖如圖3所示。

圖3 PCB板及元器件溫度分布云圖（T=20℃）

對同等工作狀態(tài)下的彈上用驅(qū)動器通過使用紅外測溫儀測量溫度，試驗測試結(jié)果如圖4所示，實測出溫度變化最大的元器件為Rc。

圖4 紅外測溫儀測試溫度（T=20℃）

常溫常壓下，由于空氣介質(zhì)的存在，各元器件產(chǎn)生的熱會發(fā)生熱對流現(xiàn)象，將部分熱量傳遞到空氣中。由圖3和圖4可以看出，在相同工作模式下，相同的工作時間，仿真得到的最高溫度和紅外測試的最高溫度分別是39.6℃和37.4℃。因此，常溫常壓下，基于本PCB板模型的仿真溫度和實測溫度非常接近，驗證了模型建立的合理性和正確性。

4.2 模擬真空環(huán)境的熱仿真分析

圖5 PCB及元器件溫度分布云圖（T=60℃）

設(shè)置仿真時間=200s，超真空環(huán)境溫度=60℃，模擬對真空環(huán)境的彈上用驅(qū)動器進(jìn)行熱仿真分析。經(jīng)過運行求解和可視化處理，以元器件對象表面溫度作為參考點，溫度分布云圖如圖5所示。

由仿真結(jié)果可以看出，隨著仿真時間的增加，各元器件溫度不斷升高。不同元器件升溫速率存在差異，這是由元器件間的功率、尺寸和相對位置的差異所導(dǎo)致[10]。其中繞線電阻Rc的在初始階段升溫最快，仿真時間200s時的溫度也顯著高于其他元器件。結(jié)合溫度變化曲線，分別獲取200s內(nèi)各元器件最高溫度值，并與元器件溫度允許范圍對比，如表2所示。可以看出，各元器件的最大溫度都在允許的溫度范圍內(nèi)。

表2 元器件的仿真溫度

5 結(jié)束語

本文以某型彈上用驅(qū)動器電路板為例，完成了對該電路板的建模、元器件參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分等，利用Icepak對常溫常壓下彈上用驅(qū)動器電路板進(jìn)行了熱仿真分析，并通過紅外測溫儀對相同工作模式下的彈上用驅(qū)動器進(jìn)行了溫度實測的試驗驗證，驗證了本PCB板模型的準(zhǔn)確性。隨后對該PCB板模型在真空環(huán)境下的相同工作模式進(jìn)行了熱仿真分析。通過仿真分析得出，各元器件的最大溫度都在允許的工作范圍內(nèi)，驗證了某型彈上用驅(qū)動器電路板熱設(shè)計的合理性。利用該熱仿真軟件，使元器件布局更加合理，有效地降低設(shè)計周期，減少工作量，避免由熱設(shè)計帶來的原材料浪費問題，極大地節(jié)約了成本。熱仿真軟件的應(yīng)用，為高可靠性、多功能、高集成、適應(yīng)性強(qiáng)的電路板開發(fā)提供了有力保障。

1 李琴，朱敏波. 電子設(shè)備熱分析技術(shù)及軟件應(yīng)用[J]. 計算機(jī)輔助工程，2005，2：50～52

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3 李承隆. 電子產(chǎn)品熱設(shè)計及熱仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2010

4 李根寶. 多芯片PCB板熱布局優(yōu)化試驗研究及數(shù)值模擬[J]. 電子器件，2017，40(4)：800～803

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Thermal Simulation Analysis and Experimental Study of Driver Circuit Board for Missile

Jing Haiming Mi Yan Zhang Hongxia Ren Zhongqiang

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076)

Driver circuit board on the missile works in the atmosphere under vacuum where the ambient temperature is between -45～60℃. Due to the harshness of the environment and the generating heat by working, it is necessary to carry out effective thermal simulation research to ensure that the PCB components are in the normal working temperature range. This article built the board level PCB model, and utilized thermal simulation software icepak centered on CFD to perform thermal simulation of PCB in vacuum. The simulation results obtained the temperature change and the highest temperature of each component and all the temperature are normal which verified the rationality of thermal design. According to the result, we can perform component layout adjustment to improve reliability of the PCB.

print circuit board；thermal simulation；computational fluid dynamics；icepak

井海明（1990），助理工程師，控制科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：軌姿控發(fā)動機(jī)電控設(shè)計。

2019-05-31