Icepak在中兴通讯热设计中的应用
单乐生 武强 徐娟 李波
深圳市中兴通讯股份有限公司上海第一研究所 200231
摘 要：通讯产品散热分析与设计是其可靠性设计中的一个重要组成部分，本文结合中兴通讯接入事业部的散热设计工作，着重讨论Fluent公司热控分析软件Icepak在公司通讯产品研发过程中散热设计、分析、仿真与测试等方面的应用情况，并对几个具体案例作了简要介绍。
关键词：可靠性 散热设计 散热分析 散热仿真 Icepak
The Application of Icepak in the Thermal Design in ZTE Corporation
Shan Lesheng Wu Qiang Xu Juan Li Bo
Shanghai No.1 Research Institute, Shenzhen Zhongxing Telecom Co., Ltd. 200231
Abstract: Thermal analysis of telecommunication products has been carried out using a commercial computational fluid dynamics (CFD) code, Icepak, in this paper and several examples from ZTE Corporation are solved for explaining and demonstrating the application of thermal design, analysis and simulation, which is very important to the improvement of a system and package design for better thermal performance.
Keywords: Reliability, Thermal Design, Thermal Analysis, Thermal Simulation, Icepak
一、前言
电子技术的迅速发展及其在各个领域的广泛应用使人们对电子产品的可靠性非常关注，而热环境就是影响电子产品性能和可靠性的重要因素之一，统计资料表明：电子原器件的可靠性和其工作温度之间存在一种可预测的对应关系。当电子设备工作时，其输出功率只占设备输入功率的一部分，而功率损失一般都以热能形式散发出来。事实上，电子设备内部任何具有电阻的载流元器件都可以看作是一个热源。此外，由于电子设备组装工艺、单片集成工艺、多层PCB板工艺的发展使电子设备的热控制问题成为制约其可靠性的难点之一。
中兴通讯是国内最大的通信设备制造业上市公司，是中国通信设备制造业的开拓者，拥有移动、数据、光通信以及交换、接入、视讯等全系列通信产品，具备通信网建设、改造与优化一揽子方案解决能力。移动通信、数据通信、光通信是当前中兴通讯重点发展的三大领域。为全面提高产品可靠性，公司从2000年开始在热设计中推广使用CAE辅助分析软件，以期提高产品设计水平和质量。
二、热设计中的计算机仿真技术
针对电子设备热产生机理与传播方式，必须对电子设备的热场分布进行分析研究，采用合理的热设计方法，保证电子设备在允许的温度范围内工作。从使用对象来说，电子产品热设计建模分析软件可以分为通用和专用两种，后者更具体地面向电子元器件、多芯片模块、印制板、子系统以及整机系统。电子冷却分析软件通过模型建立、模型求解和结果解释三方面将电子产品的热效应分析放在了设计阶段，以期解决如下问题：优化电子系统内关键器件、部件的参数位置；对电子系统强迫对流和自然对流冷方案进行优化。电子产品热设计中计算机仿真软件在界面、精度、可靠性、鲁棒性、速度等方面都已成熟。
目前，在电子冷却方面比较突出的两个产品是Flotherm和Icepak，与前者相比，Icepak具有如下特点：
采用非结构化网格，能够针对复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格，有多种网格生成方法，能够满足现代电子产品设计中几何形状越来越复杂的要求。
采用FLUENT5的非结构化网格技术和解算方法，采用了多种高分辨率的格式，如TVD格式，保证了工程问题的计算精度。
提供丰富的物理模型，可以模拟自然对流、强迫对流和混合对流、热传导、热辐射、流-固的耦合换热、层流、湍流、稳态、非稳态等流动现象。
Icepak和Flotherm软件都是面向热产品设计和分析工程师的软件，采用热设计分析所专用的机柜、风扇、印刷电路板、阻尼、通风口等模型。建模过程快捷、网格生成与计算可以自动进行。
下面是笔者采用Icepak软件进行分析的几个实例，它们所采用的软硬件平台如下：双PIII 1.4 XEON，1G RAM，36G SCSI硬盘，Win2k+Sp2，Icepak 3.2。
三、EDSL插箱散热设计与分析
EDSL插箱采用12U高度的19英寸插箱，可安装于19英寸机架中，亦可单独使用。整个插箱分为三层结构（主要由散热方式决定），从上至下分别为：风扇层，单板层和导风层。其中单板层的高度大概为9U，为竖向放置。如此可形成单板间的通风道，保证单板表面有冷风流过，带走热量。应所需插拔力较大，单板面板采用双扳手装置，插紧后另有螺钉锁紧面板和机框。其结构形式如图1所示。
系统满配置时，共12个线路板（发热功率约为45W），整个系统的发热功率共约为500W，系统温升要求控制在10度之内，因此单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，需要强迫空气冷却。
（1）采用强迫空气制冷时，从机箱中排走的热量可采用如下经验公式计算：
（2）空气的质量流量采用如下经验公式计算：
（3）干燥空气的密度采用如下公式计算：
因此，根据单板分布情况，本系统采用抽风方式，并选用四个离心风机，进口冷风，后上热风。根据计算结果，采用Icepak对插箱进行系统仿真，在系统仿真的基础上采用Zoom-In技术对具体单板作局部分析，这样可以大大缩短计算时间，提高设计效率。
（4）系统分析模型如图2，图3，图4所示，单板采用功率均匀分布，导热系数取25 ；EMC屏蔽板导热系数取50 ；离心风机用两个轴流风机模拟，按实际尺寸放置进风口和出风口，风压曲线均与离心风机相同。
（5）Zoom-In模型如图5所示，计算所需边界条件由系统分析结果引入。通过观察和分析温度云图，单板上芯片温度满足要求，系统风阻分布合理。
四、室外型光纤转接机箱的环境分析与测试
（1）机器配置：机箱内部配置一台快速以太网交换机，一个入口，可以负载23个用户端口，此外还可以增加一个16或24口的HUB，可增加15或23个出口，即系统共可配接37或45个用户端；机箱内另配有一只光纤转接模块，用于将光纤信号转换为电信号；断路器主要用于过压保护、过流保护、雷击断路以及电源开关；箱内另安装一只容纤盘用于卷绕多余尾纤，如图6所示。
（2）仿真模拟：由于以太网交换机和机箱都是OEM产品，机箱外壳材质为SMC模塑料并且系统密封，所以模拟分析所关心的是机箱内部温度分布，看看机箱内部温度是否超过以太网交换机正常工作所能够忍受的最高环境温度。以太网交换机的发热功率为20W左右，Icepak仿真模型及计算结果如图7所示。
（3）整机室外测试
整机测试的配置方式为点到点全天连续工作，进行耐久性试验，图8为测试连接配置图，由负载172.24.56.4连接到机箱，再由机箱连接到负载172.24.56.5，然后开机运行PING命令，查看两台PC机的连接状况，以其信号丢失率为测试指标。
空气温度和机箱内平均温度变化状态图如图9所示，系列1为空气温度，系列2为机箱内平均空气温度。
从图中可以看出，大气温度较高，机箱内温度随大气温度升高而上升，机箱内外温差约为10到12摄氏度。大气温度变化较大时，机箱内温度变化比较平缓。表一为系统数据发送情况，从三天的测试结果看，系统没有出现误码，运行稳定。
五、ADSL机柜整机系统热分析
ADSL机柜包含两个相同的插箱，顶部四个风扇抽风，每个插箱底部6个风扇吹风，机柜前面进风，后面出风，总发热功率900W左右。通过Icepak的模拟分析，我们对系统进行了一些改进：增加隔板，调整风扇位置，使系统的散热性有了提高。如下图所示。
六、结论
通过使用Icepak对通讯产品进行热设计、热测试和热仿真，使我们对整机、单板、封装等层次的散热能力有了一个直观明确地了解，特别是计算机辅助设计和计算机辅助分析加快了工作速度并能考虑更高层次的系统级设计，即缩短了分析计算时间，又降低分析费用，提高了优化设计能力，使产品能够高质量、高性能、短周期地进入市场。
参考文献：
1．王锡吉，电子设备可靠性工程，陕西科学技术出版社，陕西，1999。
2．吴汉森，电子设备结构与工艺，北京理工大学出版社，北京，1995。
3．崔志尚，温度计量与测试，中国计量出版社，北京，1998。
4．章熙民，任则霈，梅飞鸣，传热学，中国建筑工业出版社，北京，1993。
5．Fluent Litimited, Icepak Trutorials Guide, Fluent Incorporated 2000.
Icepak资料下载: FLUENT第一届中国用户大会论文集33-40.pdf
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