結合某型車載衛星通信產品的整機散熱設計工作,利用有限元熱仿真軟件6SgimaET對散熱方案的進行仿真和分析?根據初步仿真結果對產品散熱能力提出了改進和提升措施,并對措施進行閉環仿真驗證,結果顯示改進措施正確有效?
有資料表明,電子設備的失效有55%是由于溫度超過了規定值而引起的,并且電子設備內的元器件在很高的溫度下工作時,其失效率按指數關系增長?而對于通信產品來說,整機散熱設計是產品質量和可靠性設計中至關重要的一環,尤其是以基站?交換機等為代表的通信基礎設施設備,優異可靠的熱設計可為通信系統穩定可靠地運行提供有力保障?
電子產品散熱設計一般是指通過對產品各組成部分的熱分析,確定所需的熱控措施,以調節其電子器件等組成的溫度,使其本身及其所處的工作環境的溫度不超過標準和要求所規定的溫度范圍?隨著通信行業的發展及產品迭代速度加快,通信設備的熱設計已不再滿足于控制相關溫度在特定范圍內?面對行業和產品力的競爭?設備市場需求量的上漲(例如5G通信基站等設備數量的需求),通信產品最好的熱設計一定是在滿足要求的溫度范圍內尋求相對最優解,這個最優解可實現產品實力最具競爭力?企業利潤最大化?在尋求最優解這個過程中,如何以最短周期?最小成本地實現就需要解決手段的選擇?本文將針對某型車載衛星通信產品進行整機散熱方案設計,并利用有限元熱仿真軟件6SgimaET對散熱方案進行優化和改善,尋求整機熱設計相對最優解?
1設備介紹和散熱方案
1.1設備介紹
某型車載衛星通信產品,主要使用場景是安裝在車輛上,通過與衛星收發數據實現數據通信?
設備的幾何尺寸為700mm×400mm×90mm,工作溫度范圍為-40~55℃,主要發熱模塊有:發射模塊(熱耗功率170w),接收模塊(熱耗功率80W),射頻處理模塊(熱耗功率8w),電源及控制模塊(熱耗功率43w),整個設備需排除的熱功耗大約300W,由底座散熱器幾何參數可算出表面熱流密度大約0.029W/cm2?設備內主要功率芯片的工作殼溫Tc≤115℃,因設備安裝在車頂,使用過程中有人手接觸設備外殼的可能,為避免意外燙傷,根據工程經驗,設計目標限定人體可接觸的設備部位最高溫度不能超過75℃?
1.2散熱方案
設備頂部天線罩為透波材料,內部模塊固定于設備底座(鋁合金)上,散熱途徑為內部發熱模塊通過可靠熱接觸將熱量傳遞至設備底座,再與外部空氣完成熱交換散熱?
在產品設計開發環節中,最佳散熱方案的選擇需要考慮到設備的使用環境?可靠性?成本等因素?本案例涉及到的設備為車載型設備,在車輛快速行駛過程中可借助車輛行駛反方向的氣體流參與強迫風冷散熱;在車輛靜止停泊無風狀態下,根據前面算出的底座散熱器的表面熱流密度(0.029W/cm2),該狀態下自然對流風冷散熱已無法滿足要求,需加入風機強迫風冷散熱?綜合考慮車輛行進和停泊兩種狀態,設計散熱風道如圖1所示,風道分為靠風機提供的主動散熱風道和靠車輛行進氣流形成的被動散熱風道,風機根據設備內部溫度狀態智能溫控啟動和調速?散熱設計一般是按設備最大工況和最大工作環境影響復合進行考慮的,本次的散熱設計及優化驗證是按車輛靜止狀態時進行的?
2熱仿真驗證及優化設計
2.1 6SigmaET簡介及仿真環境搭建
仿真軟件選用6SigmaET,它是由英國FutureFacilities公司開發的新一代熱分析軟件,具備系統?設備?板?器件等級別的散熱設計解決能力?6SigmaET具備快速建立模型功能?查錯功能?智能化網格生成功能?自動簡化模型等功能?
為提高仿真計算效率和準確性,在仿真模型處理上需要將模型簡化處理,對不影響傳熱和散熱的無關部件進行刪除和簡化?將簡化后的模型導入仿真軟件后,完成仿真環境的建模,包括測試空間設置?熱源定義?材料屬性定義?風道設置等?完成建模后,設置求解器參數:環境溫度為25℃,湍流模型為標準k-e模型,風機設為Fixedflflow模式,單個風機流速設置為0.01m3/s(21.2CFM)?
2.2仿真計算及結果分析
在仿真軟件中完成仿真環境的搭建后,完成網格劃分和模型檢查后即可提交給計算機進行求解?為節省求解時間,網格的目標數量也要做好合理設置,同時較好的計算機硬件配置和設置多核并行計算都可以提高求解效率?如圖2所示,當CFD迭代求解的殘差值區域穩定時,整個熱仿真結果也已趨于穩態和收斂,此時可手動結束求解運算?
求解完成后進行結果查看,提取模型整個表面溫度結果如圖3所示?從溫度云圖中可以看出:
(1) 設備發射模塊位置處溫度最高,為41.1℃(環境溫度25℃),溫升16.1℃;
(2) 設備外殼最高溫度位于發射模塊底部風機擋板處,溫度為38℃;
(3) 從整個模型表面溫度分布可以看出,溫度最高位置和其周圍區域溫度梯度大,底座四周溫度不均勻度高,底座后部散熱利用率低?
2.3散熱優化設計及驗證
通過以上仿真結果可以看出,雖然散熱結果可以保證功率器件安全工作?設備外殼最大溫升低于要求的20℃,但從溫度云圖上看仍然有優化空間?從提升散熱效率考慮,可在改善底座散熱器的整體熱阻和與周圍環境的換熱效率方面進行優化設計,主要措施為:
(1) 增加發射模塊底部凸臺殼體的局部厚度,增大凸臺與底座之間的倒角過度;
(2) 在底座鑲嵌熱管,將發射模塊凸臺周圍的熱量向底座兩側和后部引導;
(3) 適當加密發射模塊對應的底座外部散熱尺的密度和接觸面積?
經過以上改進,重新修改仿真模型,并再次提交仿真計算,其仿真結果如圖4所示,從表面溫度云圖中可以看出,發射模塊位置處溫度最高,為39℃(環境溫度25℃),溫升14℃,發射模塊最高溫升降低2.1℃,并且底座均溫情況有不小改善?
不過從發射模塊對應的底座局部溫度來看,熱量仍較集中,在底座結構空間尺寸和成本約束的情況下,也可通過增加局部位置的用于熱交換的外部空氣流量來進一步提升散熱效果?這里在上一步優化底座散熱設計的基礎上,將發射模塊下方的兩個風機的進風量由0.01m3/s(21.2CFM)提高到0.015m3/s(31.8CFM),并提交計算仿真,最終仿真結果如圖5所示,發射模塊位置處溫度最高,為37.4℃(環境溫度25℃),溫升12.4℃,發射模塊最高溫升和上一步相比降低1.6℃,和最初設計相比降低3.7℃?
3結論
(1) 通過優化設備整體散熱方案,可顯著改善設備整體散熱情況;
(2) 在產品散熱設計過程中,CFD仿真軟件6SigmaET可以方便快速地模擬設備內部溫度場和散熱情況,驗證設計方案的正確性,并能及時發現方案中存在的問題,以便設計師快速調整設計方案和閉環;
(3)對于產品競爭力和企業利潤最大化來說,產品的熱設計是一個尋求相對最優解的過程,借助仿真技術可降低設計成本和重復性,使產品能夠高質量?高性能?短周期地進入市場?
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