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电子产品热设计需要了解的十大事实

发布时间:2021-01-26 08:30:06人气:
电子散热,即热设计,是一门小众学科。二十年前,它是由热专家团队(通常是具有很强的热传递技术背景的机械工程师)集中开展的一项活动。当时,电子产品的机械部分,无论其中包括的是何种散热解决方案,都是与电子设备分开设计的。当时的开发节奏要慢得多,人们更加着眼于在完成设计后通过物理样机研究来纠正问题。如今,根据公司和行业领域,基本的热设计任务可由个体工程师在产品创建过程中完成。
 
由于时间、成本和资源等方面的约束,“包办一切”的工程师变得越来越常见。与其同行专家相比,这些“包办一切”的设计人员和工程师需要更简单和更快捷的热设计工具。
 
 
2存在不同的设计环境
一些组织认为热设计是产品机械设计的一部分。这种观点在汽车等传统行业中极为常见,从而导致产品在电子方面在很长的一段时间内增长速度一直很缓慢,这一现象直到近些年为止才有所改变。在这种情况下,受命开展热设计的人员可能是汽车、机械或生产工程师,他们在组织的 PLM 环境内使用 Dassault Systèmes® CATIA® V5、SolidWorks®、PTC Creo® 或 Siemens® NX等高端 MCAD 工具集开展工作。最适合他们的莫过于能够直接完全嵌入到他们所熟悉的 MCAD 系统的热设计解决方案。Mentor 的三维计算流体动力学(CFD)分析解决方案 FloEFD™ 内置于上文列出的所有 MCAD 系统中,并与 Autodesk® Inventor® 和 Siemens SolidEdge® 紧密集成,受到了电子散热和 LED 照明应用模块的广泛支持。
 
另一方面,一些组织将热设计视为 PCB 设计流程的一部分。例如,当产品必须装入标准机架时,受命开展热设计的往往是采用 PADS® 和 HyperLynx® 等PCB 设计工具的电子工程师。
 
 
设法开展系统级热分析的工程师可能是各种同时具备机械和电气背景的人员,他们一般不熟悉 MCAD 驱动的系统。对他们而言,能够与其 PCB 设计流程无缝集成的解决方案才是最佳选择。PADS FloTHERM® XT 旨在为此类工程师和环境提供基于 CFD 的电子散热软件。
3所开发产品的类型和产量非常重要
我们已经了解了工程师和设计环境对于热设计的实施可能产生的影响。所开发的产品类型及其产量对此也有一定的影响。
 
在一些使用计算流体动力学 (CFD) 来研究产品性能的传统行业(例如航空航天、核能和汽车等)中,设计周期相对较长,而且安全性和稳定性的优先级高于成本和性能。受这些驱动因素的影响,这些行业中的热电子设计侧重于通过将元器件温度降至一定的安全裕量以下来延长产品寿命。设计人员需要投入大量工作在冷却系统中建立冗余。这样的话,即使某个风扇出现故障,系统仍能正常工作且符合规范要求,另外还能在系统正常运行的同时更换故障风扇
然而,在高量产的消费类电子产品领域,成本和性能才是关键因素。从概念设计到投产,设计时间被压缩到仅仅只有几个月的时间。最大限度地降低产品成本是设计活动的一个关键部分。这就需要充分研究设计空间,确保选择成本效益最高的散热解决方案。需要考虑的因素包括封装选择、PCB Layout、电路板结构以及外壳设计(包括风扇尺寸、位置和通风口位置)的影响。这种情况下亟需对设计空间进行快速分析,因而催生了众多解决方案,利用不同的 CFD 技术更快地提供初步结果以及大幅缩短后续设计迭代的周转时间。
4适应技术演变
 
电子产品的小型化导致产品的几何形状越来越凌乱和复杂,产品在电子与机械方面的集成也日益紧密,这在智能手机和平板电脑等移动应用中最为典型。
 
产品小型化的结果之一是流动空间减小,而这往往限制了对流散热的范围。伴随着湍流强度受制于槽壁生成的剪切力(控制湍流的生成和衰减),这些狭小的空间会导致流动发生层流化。这实际上降低了捕获湍流影响的数值需求。随着时间的推移,空气内的温升对于环境以上 IC 封装内的结点温升的贡献逐步减小。
 
相反,小型化对于几何精度、材料和表面特性捕获、表面间辐射以及某些应用中的太阳能辐射的要求越来越高。在后期设计中,必须将电源和接地平面以及直流走线内不断提高的电流密度作为电路板内的热源加以考虑。所有这些变化都对热模型与基于机械 CAD 和 EDA 的工具集的集成以及它们所描述的几何形状提出了更高的要求。更小的特征尺寸和芯片封装尺寸(在规模上与电路板上的信号和电源输送铜特征相似)要求将其表示为相似的较高详细级别。
5与设计工具集相集成
机械和电气设计学科的结合同样受产品小型化的驱动,它要求将一个设计流程中做出的更改反向标注到另一个流程中。PCB 设计采用的传统二维方法经过大幅增强,可在 PADS 配置内提供三维视图、库和 DRC模块。
 
利用 PADS FloTHERM XT 及其内置的 MCAD 内核,可以从之前提及的所有主流 CAD 平台导入原始 CAD 几何形状。在 PADS FloTHERM XT 内修改过的元件可导出为相同的原始 CAD 格式,以便将其重新导入回 MCAD环境,确保保留元件的历史记录数据。您可以编辑电路板外形,转换元器件,以任意角度旋转元器件或调整其大小。此外还支持 IDF 导入。
 
与 EDA 和 MCAD 系统的强大集成现在已成为在设计工作流程中高效地开展热设计的前提条件,但仅仅依靠其自身功能还远远不够。
 
6对散热技术的支持
小型化还会影响散热技术的选择。几年前,由于笔记本电脑内的空间有限,离心式风扇取代了台式机中使用的传统轴流式风扇。此外,还采用热管将热量从居于中央位置的 CPU 传递到离心式风扇下游热管的鳍片部分,并由离心式风扇直接排放到周边环境。散热器和导热垫也在一些空间有限的设备中使用,合成射流也是如此,尤其在 LED 照明应用中。
 
创新的散热器和风扇组件设计层出不穷,液冷的应用日益增多。PADS FloTHERM XT 可轻松处理这些散热解决方案,因而在采用具有复杂几何形状的散热解决方案的电子系统中,成为首选的设计工具。散热风扇、散热器、热管等散热解决方案通常是现成的元器件,既不是 EDA 设计工具附带的,也不是在公司的 MCAD系统中设计的,但要进行精确的热分析必须包含这类元器件。
7处理长度规模的范围
电子系统的独有特征之一是其包含广泛的长度规模范围,涵盖了从芯片表面的纳米级到数据中心机架的米级尺度。这对 CAE 工具,尤其是采用贴体网格的 CAE 工具构成了巨大的挑战。
 
将所有元素直接包含在模型中的做法既不现实,也不可取。形成这一挑战的部分原因在于,在仿真对提高设计质量贡献最大的环节,大量信息还是未知的。例如,在设计后期确定元器件布局之后才对 PCB 进行布线,然而,不合格的元器件布局可能给热性能带来灾难性的影响。
 
一种常见的做法是将简化的行为模型用于芯片封装、PCB、风扇、散热器等元器件中。PADS FloTHERM XT 使用 SmartParts™ 来加快这些元器件以及其他常见元器件的建模速度,并随着设计细节的出现不断优化模型。
 
利用直观的 SmartParts,您可以在几分钟内构建简单的概念模型,与直接取自MCAD 的机械元件配合,轻松地创建自己的 CAD 几何形状,以及使用详细的电子组件。SmartParts 还能加快设计空间的探索,尤其是在早期设计阶段。
 
在设计后期,通常需要包含产品多个方面的大量几何细节,以获得高保真的仿真结果;例如,详细的PCB 走线层、PCB 堆栈内的电源和接地平面、热关键性元器件的详细模型,以及所用的任何散热器的详细模型等。
 
与设计工具集的紧密集成意味着可以将后期设计中由 EDA 和 MCAD 生成的详细几何形状与较早时在热分析软件内构建的几何形状进行交换,从而支持概念研究和早期设计研究。在优化EDA和MCAD设计的过程中可以无缝地应用更新。
 
通过生成网格来分析此类细节的热传递是一个非常耗时的过程。为提高此过程的效率,每个几何形状将作为一个控制体传递给 CFD 求解器,并使用网格内的几何形状知识来直接构建控制体,而无需进一步划分网格。利用这种独特的方法,PADS FloTHERM XT 可以在单独的网格中使用实体对实体和/或实体对流体边界捕获多个固体几何形状片段,从而捕获复合结构和多个流动通道(例如散热器鳍片之间的流动通道)。
 
8访问和复用预先存在的数据
确保热模型保持最新状态并更新设计流程中的更改,对于做出及时的决策、避免设计返工和缩短上市时间而言至关重要。
 
除几何形状之外,热仿真还需要其他信息,例如关于产品所用材料(可能使用多种材料)的热数据,以及元器件的功耗等。因此,必须从功率估算工具导入功率数据;此过程通常采用 CSV 文件形式,并使用元件位号来标识热模型中的元器件。当功率估算发生变化时,需要自动更新这些数字。
 
在最精细的细节级别,详细封装模型可能要求一组芯片级功率映射,以定义不同应用中的芯片上的功率分布。其中每个模型都包含多个可交换的单独热源,用以评估产品在瞬态仿真中包含的这些不同状态下的热性能。这种根据“使用案例”或实际功耗状态,而不是使用稳态热设计功率来开展设计的趋势,使得电气工程师与热工程师之间的工作流程优化变得更加重要。
 
基于需要实施的“边界条件”的数量,电子散热模型都是独一无二的。除几何形状以外,边界条件还包括材料数据、热属性、表面属性(包括粗糙度)、网格要求以及(以使用风扇的情况为例)性能数据和内置的行为模型。由于能够在单个元件中存储所有信息,因此极大地缩短了构建模型所需的时间。
 
除了提供方法轻松开发新的创新设计模型之外,电子散热工具还需要处理设计中重复使用的元件,例如底板。新电路板应该能够轻松地插入现有底板。借助高效的库可以大幅增强此过程。
 
PADS FloTHERM XT 支持使用元件以及内置的拖放功能,将所有相关数据存储在一起;其中,拖放功能可支持导入和导出整个模型、组件和单独的元件,包括其相关的材料属性及其他数据。
9处理不确定性
热设计中已知的一项与材料属性和功耗相关的挑战是,关于模型中所用值的不确定性。这可以延伸到设计的几何方面,例如 PCB 中的铜皮层、胶接层和其他界面层的实际厚度等。
 
热设计的一个重要方面是确定模型中存在哪些对关键元器件温度影响最大的不确定性。我们之前讨论过使用数值实验设计技术,以及在进行设计空间的确定性探索的情况下执行设计优化,以降低成本和增强可靠性。可采取相同的自动方法来确定热设计在面对制造期间可能出现的随机变化时的稳定性。
 
完成上述评估后,即可指导设计人员将精力放在通过设计更改以及获取更精确的仿真数据来实现这些方面的设计改进上。当前最先进的方法是使用测量值作为仿真过程的基础。这样,客户可以大幅减少完成热设计所需的时间,降低热设计工作的成本,以及实现能够预测高于环境的温升的模型保真度。这完全颠覆了在完成设计后使用物理样机研究来纠正设计错误的传统做法。
10压缩设计时间和裕量
与基于贴体网格的解决方案相比,可以将模型构建到结果分析的总体过程至少压缩 50% 以上。其中最大的压缩部分是,无需清理或简化 CAD 几何形状就能生成网格,以及在网格划分期间无需花费时间来减少贴体网格固有的可影响收敛和结果质量的网格变形。然而,好处还远远不止这些。利用 PADS FloTHERM XT,可以从 MCAD 或 EDA 设计流程来更新模型,从而保留之前用于处理原始设计数据的设置,而且模型在几分钟内就能自动完成重新划分网格,做好求解准备。
 
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