基于Flotherm的某型電源模塊熱設(shè)計與優(yōu)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(shù)的快速發(fā)展，電源模塊不斷向小型化、輕型化和高功率密度方向發(fā)展，電源模塊的熱設(shè)計正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。研究表明，高溫對大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴重的影響，它會導(dǎo)致電子元器件的失效，進而影響整個電子設(shè)備的可靠性［1－2］。據(jù)統(tǒng)計，電子設(shè)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(shè)計將產(chǎn)品內(nèi)部熱量快速地散發(fā)出去，控制電子元器件溫升，對電源模塊長期穩(wěn)定地工作具有重要意義。

Flotherm軟件作為專門針對電子散熱領(lǐng)域的CFD軟件，可以方便快捷地模擬出設(shè)備內(nèi)部溫度分布，能夠在產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品設(shè)計周期。同時能夠通過數(shù)值仿真的方法來研究各種設(shè)計變動對產(chǎn)品造成的散熱影響，協(xié)助設(shè)計人員做出有利的設(shè)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(shè)計與優(yōu)化，尋求最優(yōu)設(shè)計方案，以獲得質(zhì)量佳、可靠性高的產(chǎn)品。

1 電源模塊結(jié)構(gòu)布局

電源模塊的外形尺寸為300 mm×150 mm×60 mm （長×寬×高），要求質(zhì)量小于2.8 kg。電源模塊內(nèi)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(jié)構(gòu)。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(yīng)用于軍工產(chǎn)品中，具有強度高、密度小、導(dǎo)熱性好和易于加工等優(yōu)點。綜合考慮電磁兼容和輻射散熱效果，對結(jié)構(gòu)件內(nèi)表面采用導(dǎo)電氧化處理，外表面采用陽極氧化發(fā)黑處理，并在殼體和蓋板接縫處加工安裝導(dǎo)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(nèi)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(jié)構(gòu)，加強筋以外地方厚度為2 mm。殼體內(nèi)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(nèi)部4個模塊的熱耗產(chǎn)生。

圖1 電源模塊內(nèi)部布局

2 熱仿真分析

2.1 輸入條件

電源模塊極限工作環(huán)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(huán)境下，最高溫度不超過95℃。電源模塊主要發(fā)熱器件為內(nèi)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(fā)熱器件均采用直接貼殼體內(nèi)壁安裝，并在殼體外部銑散熱片，增加散熱面積。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)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(shè)計為2 mm，散熱片個數(shù)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(nèi)壁之間涂導(dǎo)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(jié)果

應(yīng)用Flotherm軟件進行熱仿真分析，就是根據(jù)實際對象建立熱仿真模型，并設(shè)置求解域、環(huán)境條件、材料和熱源等相關(guān)參數(shù)，然后進行網(wǎng)格劃分并求解，得出仿真數(shù)據(jù)，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(jié)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(fā)熱小的器件，最后將簡化的三維模型通過FloMCAD Bridge模塊導(dǎo)入Flotherm軟件中。為了模擬電源模塊極限工作環(huán)境，熱仿真的環(huán)境溫度設(shè)為55℃，考慮自然空氣對流、傳導(dǎo)和輻射換熱。劃分網(wǎng)格時要根據(jù)實際情況，在條件允許的情況下，可以盡量將網(wǎng)格劃的密一些，并可以對發(fā)熱元件進行局部網(wǎng)格加密。根據(jù)熱源分布情況，對電源模塊進行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2所示。

圖2 電源模塊網(wǎng)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(nèi)部主要發(fā)熱器件的溫度云圖，如圖3所示。由圖可以看出，電源模塊內(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)進一步進行優(yōu)化，控制發(fā)熱器件的溫升，增加安全余量。

圖3 電源模塊內(nèi)部溫度云圖

3 散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 散熱器基板厚度、散熱片高度的優(yōu)化

發(fā)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(dǎo)效果。散熱器基板太薄，熱量無法順利地傳導(dǎo)到所有的散熱片，散熱片沒有得到充分的利用，容易導(dǎo)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(chǎn)品重量，同時也會造成熱的累積，降低傳導(dǎo)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(nèi)部元器件占據(jù)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(shù)為40時，利用Flotherm軟件參數(shù)優(yōu)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(guān)系數(shù)據(jù)，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(yīng)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。基板較薄時，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(dǎo)致熱量無法傳導(dǎo)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(yōu)化，尋找基板厚度和散熱片高度的理想值。可以看出，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(guān)系數(shù)據(jù)

3.2 散熱片厚度、散熱片個數(shù)的優(yōu)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(shù)量增加到一定程度時，散熱能力增加會變得緩慢，如果繼續(xù)增加散熱片數(shù)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(shù)量有一個最佳數(shù)值，需要通過熱仿真進行優(yōu)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(yōu)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(shè)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(shù)進行優(yōu)化。通過Flotherm軟件參數(shù)優(yōu)化工具，仿真計算得出對應(yīng)不同散熱片厚度，散熱片個數(shù)和溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)，如表3～6所示。

表3 散熱片個數(shù)和溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)（t＝1 mm）

表4 散熱片個數(shù)和溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)（t＝1.5 mm）

表5 散熱片個數(shù)和溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)（t＝2 mm）

表6 散熱片個數(shù)和溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)（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(shù)的增加，電源模塊最高溫度先是快速下降，然后趨于穩(wěn)定，但隨著散熱片個數(shù)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(fā)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(shù)組合最佳時，散熱效果最佳。從仿真結(jié)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(shù)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(shù)為70時，散熱效果最佳，電源模塊最高溫度為86.25℃，滿足熱設(shè)計要求。通過三維模型估算，此時電源結(jié)構(gòu)件質(zhì)量約為1.5 kg，元器件估算不超過1 kg，電源整體質(zhì)量約為2.5 kg，滿足熱設(shè)計要求的同時也兼顧了質(zhì)量的要求。

4 結(jié)束語

按優(yōu)化后的熱設(shè)計方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工，在整機裝配調(diào)試完成后，電源整體質(zhì)量約為2.62 kg，滿足質(zhì)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(huán)境性試驗。試驗結(jié)果表明，電源模塊滿足各項指標要求，工作穩(wěn)定可靠。

本文利用Flotherm仿真軟件對電源模塊進行熱設(shè)計優(yōu)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(shù)量進行優(yōu)化，尋找最佳設(shè)計參數(shù)。仿真和試驗結(jié)果表明：利用仿真軟件進行優(yōu)化設(shè)計，可以有效地改善電源模塊散熱效果，和最初的設(shè)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(chǎn)品的設(shè)計提供了參考。