6 热仿真
6.1 热仿真目的
通过建立合适的模型进行热分布和热特性分析，使得产品在不损害电气性能、并符合可靠性要求、使设备的寿命周期费用降至最低的前提下，实现热设计的目标。通过热仿真实现合理的热分布，选定最佳的热设计方案或对已定的热设计方案做出评估。
6.2 热仿真软件
基于计算流体动力学CFD 的热仿真软件已达50 多种。比较典型的有Flotherm、Icepak、Ansys 等。其中Flotherm、Icepak 都是专门针对电子产品热设计的专业仿真软件，具有强大的功能和数据库，在全球电子产品热仿真软件市场上占据80%以上的份额。IcePAK 是完全交互的、面向对象的一种热分析软件，采用有限体积法（FVM），在求解器中采用了具有多重网格功能的算法。Flotherm 可以解决电子封装、电路板设计和系统级设计所遇到的冷却问题，它是一个来源于计算流体动力学CFD 的分析软件，采用结构化网格，是CFD 领域非常优秀的分析软件。
6.3 热仿真依据
热仿真的主要依据是产品研制规范、系统设计方案中规定的产品工作环境特性、热特性参数和结构形式。
6.4 热仿真的一般步骤
6.4.1 建立模型
仿真分析模型要根据设备的热传递路径和流场的情况来合理处理某些构件，做到既反映真实的流场情况和传热路径，又忽略不很重要的细节，使模型得到合理简化，这样，在兼顾仿真准确性的同时，又有助于缩短计算时间。另外，要根据分析的目的来建立模型，如当我们进行系统级分析时，对芯片就可以以简单的模型来表示，但进行单板、芯片级分析，求器件结（壳）温时，对芯片的各部分就要详细建模。
一般来说，建模需要以下的条件：
（1） 系统环境温度、辐射、风速、压力；
（2） 介质类型、介质物性和热特性；
（3） 结构几何尺寸、几何位置及物性；
（4） 热耗的分布和热属性；
（5） 风机型号及风机特性曲线；
（6） 通风孔的分布及大小；
6.4.2 赋于属性
模型中的每一个物体，都要赋予合适的属性，这些属性包括位置、大小、材料、表面状况、导热系数等。

6.4.3 设置求解域和相应的边界条件
求解域是热仿真软件求解器计算的空间区域，它可以和建立的模型相同大小，也可以大于模型6.4.4 划分网格
模型完成后，下一步就是划分网格。网格划分常犯的错误是：要么网格数太多，要么太少。合适的网格划分，能保证求解时既可以很好地收敛，又不影响结果的准确性。网格划分的一般原则是：关键点公差设置为1--2；每个网格的长宽比小于（等于）20；网格任意方向的大小要大于求解域X10-6；网格大小在某个方向的变化要渐进，不能太剧烈；靠近边界的地方，网格要小。
6.4.5 求解
模型求解就是计算机对虚拟样机模型进行数值求解的过程，求解所需要的时间长短，主要和模型的复杂程度、网格划分有关。在求解前，要对模型进行自动检查，一般的热仿真软件会给出系统存在的信息、警告和错误。求解过程中的主要问题是计算的收敛性，计算是否收敛与模型的建立和网格划分有很大的关系，常常需要经过反复的修改。
6.4.6 结果分析
结果分析就是以各种图形、表格或报告的形式，直观地显示模型的温度场和流场，设计人员通过分析，判断设计的优劣、发现设计中存在的问题并提出改进方案。
在分析过程中，可以各种可视化图形功能和数据列表功能来观察以下变量：温度、压力、流量、流速和流向、风机风压和风量（风机工作点）、风阻。一般热仿真软件提供了丰富的云图，不但可以沿X、Y、Z 三个方向生成截面，而且可以用粒子流动迹图、等值线图等，从不同角度和方向观察流场和温度场。
如果仿真结果达不到《研制规范》的热设计指标，则可以提出改进意见并修正模型重新进行仿真，或进行实物模拟测试，直到得到一个满意的方案为止。

7 热测试的方法和原则
7.1 热测试的目的
热测试的目的是对热设计的效果进行检验，对冷却系统的适用性和有效性进行评价，除了检查新设计的冷却系统是否达到预定技术指标外，还要对机架、集中发热元器件、整机系统的热特性参数进行测量，为热设计提供技术数据。
温度是影响电子设备工作可靠性的重要应力。实践表明，电子元器件的失效率随温度的增加呈指数型增加。因此，应通过对设备中的关键部位进行温度测量，了解元器件或设备的热应力情况，评价设备的热特性。本文所说的热测试主要指温度的测量。
7.2 测试方案的制定
在进行系统热测试前，制定完备的热测试方案可减少测试的重复次数。一个好的测试方案，应该能使他人根据测试的结果，分析出系统热设计方案的优劣及热设计中存在的问题。
7.2.1 测试环境
系统的热特性是与周围环境密切相关的，测试时系统配置应与实际使用时散热最恶劣的配置一致。
对强制风冷的系统，应至少测试堵转一个风扇时系统的温升。
测试数据的记录，应在温度稳定之后进行。
7.2.2 测试点的选择
 系统的进、出风口温度；
系统中可能存在的最高空气温度（一般靠近发热量大的器件或风速小、有回流的地方）和最低空气温度；
 热耗较大的分立器件、集成电路的表面温度，应至少包括热耗超过1W 的器件；
 热敏感器件的温度；
 如果系统中存在局部热流密度集中的区域，需测试该处PCB 的温度；
  如果系统中有较大的散热器，考虑测量散热器温度最高点和最低点的温差，温度最高点通常位于大功率器件中心正上方，最低点位于散热器边缘。
7.3 传感器的安装
安装热电偶传感器之前，首先要检查热电偶的结点。热电偶的两种材料必须在结点处紧密接触。推荐采用熔融焊将两种不同的材料结合在一起，不能采用钎焊等其它焊接方式，因为会在结点处混入其它金属，降低测试的精度。
热电偶固定一般采用导热胶粘接，应保证结点与被测表面的物理接触。粘接完毕后，需对热电偶的引线进行适当的固定，避免结点松动。
7.3.1 测试器件表面温度时传感器的安装位置
测试器件的表面温度时，测量点应尽量选取靠近结的地方。

图2 所示为常用的测温位置，通常选择最靠近发热部位的表面进行测量。对于圆柱形器件，如电解电容，通常测量顶部；对于半导体器件，主要根据器件资料上所提供的热阻值来确定测量位置，如果没有提供任何热阻，就按照字母顺序进行。

标签： 点击： 评论: