筆記本電腦散熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(zhì)量和綜合散熱性能的多目標(biāo)優(yōu)化方法，在CFD軟件中基于流固耦合的方法對(duì)翅片的傳熱性能進(jìn)行計(jì)算和分析?；谀晨罟P記本電腦的散熱系統(tǒng)建模，采用消費(fèi)電子行業(yè)商業(yè)熱分析軟件Flotherm對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真求解，利用軟件的DOE多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，對(duì)翅片散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出可以平衡換熱量、換熱效率、重量等多因子變量的最優(yōu)解。結(jié)果表明，采用0.15mm厚的鋁翅片可以使樣機(jī)的散熱能力達(dá)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(yōu)的設(shè)計(jì)選型。

關(guān)鍵詞：筆記本電腦；翅片；仿真；DOE設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）19-0136-03

1 筆記本電腦散熱研究現(xiàn)狀

筆記本電腦的厚度較小，內(nèi)部的電子元器件的布置非常緊湊，從而導(dǎo)致主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)阻力很大，所以，筆記本電腦一般采用離心風(fēng)扇來(lái)保證足夠的風(fēng)壓。筆記本電腦一般是將主板上發(fā)熱芯片的熱量利用熱管和翅片導(dǎo)出到筆記本電腦的邊緣，利用離心風(fēng)機(jī)將熱量吹到環(huán)境中去。時(shí)至今日，散熱問(wèn)題已經(jīng)成了輕薄化筆記本發(fā)展的瓶頸。芯片的熱量通過(guò)熱管傳遞到翅片上，通過(guò)風(fēng)扇和翅片的強(qiáng)迫對(duì)流散熱，最終將熱量散失到環(huán)境空氣中。而翅片的換熱效率以及重量都會(huì)影響整機(jī)的性能和參數(shù)，從而翅片的設(shè)計(jì)和優(yōu)化格外重要。隨著CFD技PEgmCzwoncNEj/zMx+r90zXy+mwOuBd8aRvdu1yh5ZQ=術(shù)的發(fā)展，利用一些商業(yè)軟件對(duì)翅片散熱器進(jìn)行DOE優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出可以平衡換熱量、換熱效率、重量等多因子變量的最優(yōu)解，成為一個(gè)重要的研究方向[1-5]。優(yōu)化的散熱器結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)降低熱阻，提高換熱效率，并且減輕重量的效果。通過(guò)分析仿真結(jié)果從而評(píng)估出最佳的散熱方案，為筆記本電腦的選型提供依據(jù)，減少了多次制作樣機(jī)的費(fèi)用和研發(fā)周期。

本文旨在通過(guò)Flotherm軟件對(duì)某型號(hào)筆記本電腦進(jìn)行數(shù)值模擬，利用DOE設(shè)計(jì)選型，選擇最佳的散熱模組翅片厚度、間距、材料，根據(jù)DOE仿真結(jié)果，從散熱量、重量、翅片等多方面進(jìn)行分析，選取最佳的設(shè)計(jì)方案。

2 仿真模型

2.1 物理模型

本文采用Flotherm軟件對(duì)某整機(jī)筆記本電腦進(jìn)行熱仿真計(jì)算，正常情況下，整機(jī)系統(tǒng)仿真需要將整機(jī)系統(tǒng)的三維模型均體現(xiàn)在仿真模型中，便于監(jiān)控系統(tǒng)各處的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。但是，由于筆記本電腦顯示器部分產(chǎn)熱量較少，散熱面積較大，且顯示器結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)散熱影響較小，因此，本文中的仿真模型主要針對(duì)筆記本電腦機(jī)殼、散熱系統(tǒng)及內(nèi)部主要零部件，暫時(shí)將顯示器結(jié)果部分取消。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文將整機(jī)主板主要發(fā)熱元件進(jìn)行建模計(jì)算，包括CPU、memory、SSD以及一些用于這幾個(gè)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(dòng)元件均忽略不計(jì)。在整機(jī)模型中，會(huì)采用region功能對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，加密區(qū)域集中在CPU、fin等位置，模型的溫度檢測(cè)點(diǎn)位于CPU、SSD、Choke、MOS等大的元器件處以及處于本文重點(diǎn)研究領(lǐng)域的fin的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位處，并對(duì)fin區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)位的流場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

仿真模型各處的材料熱物性數(shù)據(jù)，尤其是大的發(fā)熱元件的疊層結(jié)構(gòu)、材料導(dǎo)熱系數(shù)等信息均會(huì)影響仿真結(jié)果的真實(shí)性，為了更加準(zhǔn)確地模擬出模型的真實(shí)溫升，需要測(cè)量及調(diào)研各主要器件的熱物性參數(shù)[1-4]。

2.2.1 CPU 建模

CPU芯片詳細(xì)封裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括焊球、芯片、樹(shù)脂、基板、銅線層等信息。在系統(tǒng)級(jí)別的熱分析中，為簡(jiǎn)化計(jì)算設(shè)置，芯片等小器件都被考慮成了一個(gè)實(shí)體塊，但是這樣粗略的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為了提高計(jì)算精度，需要相對(duì)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(jì)算準(zhǔn)確度。

2.2.2 MOS、Choke 導(dǎo)熱系數(shù)

MOS 的模型結(jié)構(gòu)和Choke 的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由圖1可知，MOS的PN結(jié)和 PCB主板間存在一粘接層。封裝結(jié)構(gòu)頂部通過(guò)導(dǎo)熱墊片與散熱模組的散熱蓋板相連，封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充有環(huán)氧樹(shù)脂。在Flo?therm軟件中，仿真模型對(duì)MOS按照如下方式設(shè)計(jì)：雙層結(jié)構(gòu)，上層與導(dǎo)熱墊片接觸，導(dǎo)熱系數(shù)與環(huán)氧樹(shù)脂相同為2W/（m·K）；下層與PCB主板連接，其導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)PN結(jié)和封裝表面熱阻值綜合計(jì)算MOS的導(dǎo)熱系數(shù)為 2.28 W/（m·K）。在圖1 Choke的實(shí)際結(jié)構(gòu)中，主體為粉末狀金屬，粉末狀金屬內(nèi)部包含有銅線圈。為簡(jiǎn)化處理，將Choke視為一均勻體熱源。常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)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(dǎo)熱系數(shù)偏低。常溫下鐵的導(dǎo)熱系數(shù)為80W/（m·K）， 因此，本文將 Choke導(dǎo)熱系數(shù)折算為60 W/（m·K）。

2.2.3 其他參數(shù)

筆記本電腦散熱模組的翅片形態(tài)、尺寸、厚度、間距都會(huì)對(duì)其散熱性能有影響。日常設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)翅片進(jìn)行優(yōu)化，從價(jià)格、重量、散熱量等多種角度考量后，選取最優(yōu)的選型。為了方便進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化，必須利用Flotherm軟件中的智能元件建模。

3 仿真過(guò)程及結(jié)果

3.1 DOE 設(shè)計(jì)過(guò)程

在Flotherm 軟件中，為了對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取4個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行DOE優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，分別為齒數(shù)、齒高、齒厚、基板厚度。結(jié)合實(shí)際物理模型，這些參數(shù)之間也有一些相關(guān)性關(guān)系，提前設(shè)定好這些關(guān)系，可以減少無(wú)效計(jì)算量。

通過(guò)此參數(shù)設(shè)計(jì)，主要目的是分析不同的散熱器參數(shù)條件下對(duì)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(píng)價(jià)不同參數(shù)對(duì)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(píng)價(jià)值。例如，將散熱器案例設(shè)定溫度目標(biāo)后，該值越小，說(shuō)明越接近目標(biāo)值。

當(dāng)以上參數(shù)設(shè)定完畢后，選擇設(shè)定DOE正交實(shí)驗(yàn)，則可以發(fā)現(xiàn)在Scenario Table中已經(jīng)創(chuàng)立了對(duì)應(yīng)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)分組。在設(shè)計(jì)DOE實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如沒(méi)有約束好變量的關(guān)系，會(huì)造成某些實(shí)驗(yàn)不合理?？梢蕴崆巴ㄟ^(guò)Scenario Viewer逐一檢查，刪除不合理的實(shí)驗(yàn)組，減少計(jì)算量。

3.2 DOE 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)20種組合計(jì)算后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圖表繪制，圖2是Heat Sink的Cost、質(zhì)量、溫度等數(shù)據(jù)的離散情況。從圖中可以看出，20組設(shè)計(jì)的DOE實(shí)驗(yàn)針對(duì)各種相應(yīng)目標(biāo)的分布情況，大部分實(shí)驗(yàn)方案的Cost是相對(duì)較低且集中在6附近，另外，大部分實(shí)驗(yàn)方案的Heat Sink溫度是滿足70℃以下的，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 反應(yīng)面變化圖

通過(guò)Flotherm 軟件中的Chart—Response surfaceViewer功能來(lái)實(shí)現(xiàn)三維顯示目標(biāo)輸出變量隨著兩個(gè)主要變量的變化圖。如還有其他輸入變量，可以通過(guò)點(diǎn)擊Variables拖動(dòng)其他變量，觀察三維發(fā)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(gè)參數(shù)變化過(guò)程的反應(yīng)面變化圖。可以看出，隨著這兩個(gè)參數(shù)的降低，Cost大致是逐漸降低的。而圖4為Heat Sink溫度隨著B(niǎo)ase Thinkness和Internal Fin Height這兩個(gè)參數(shù)的反應(yīng)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(guān)性，二者交互影響散熱器的散熱效果。從圖4 可以看出，當(dāng)BaseThinkness≤1mm時(shí)，對(duì)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(shù)、齒高、齒厚、基板厚度均是交互影響的參數(shù)，綜合影響了散熱器的成本、溫度、質(zhì)量等因素。綜合本方案中的DOE 設(shè)計(jì)模型以及實(shí)際的工藝制作能力，將齒高設(shè)計(jì)為4mm、基板厚度設(shè)計(jì)為1mm，再進(jìn)行計(jì)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(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)0.15mm的翅片厚度的流場(chǎng)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(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Flotherm 軟件對(duì)某型號(hào)筆記本電腦建立仿真模型，尤其對(duì)其散熱模組中的散熱器進(jìn)行智能建模，并針對(duì)其齒數(shù)、齒高、齒厚、基板厚度等參數(shù)進(jìn)行DOE 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，在計(jì)算的過(guò)程中以散熱器處的質(zhì)量流率和散熱器自身的溫度作為優(yōu)化目標(biāo)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)果如下：1） 本文采用查找專業(yè)書(shū)籍，拆解分析以及實(shí)際測(cè)試等各種方法尋求關(guān)鍵元器件的熱物性等仿真數(shù)據(jù)的來(lái)源合理性。2） 建立整機(jī)模型，并采用DOE 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型對(duì)散熱器建立了20 組不同的計(jì)算方案，經(jīng)過(guò)篩選后再進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了齒數(shù)、齒高、齒厚、基板厚度等因素對(duì)散熱器的成本、表面溫度以及散熱器重量等多種目標(biāo)值的影響反應(yīng)面變化效果。3） 通過(guò)各種反應(yīng)面變化圖以及實(shí)際工藝制造水平綜合進(jìn)行分析，本文將齒高設(shè)計(jì)為4mm、基板厚度設(shè)計(jì)為1mm是最優(yōu)的選擇。4） 基于齒高為4mm、基板厚度為1mm的前提下再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)翅片厚度，分析了不同的翅片厚度對(duì)應(yīng)翅片表面溫度分布、流場(chǎng)平均流速、流速分布差異均不同，從仿真結(jié)果來(lái)看，0.15mm厚度翅片對(duì)應(yīng)表面溫度分布最均勻，平均流速最大、流場(chǎng)分布最均勻，對(duì)應(yīng)的翅片處的流阻越小。

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