我利用熱仿真學(xué)到的知識(shí)【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-04-14 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和選擇理想散熱器

設(shè)計(jì)電子設(shè)備時(shí),微型器件散發(fā)到周圍環(huán)境中的熱量是一個(gè)重要考慮事項(xiàng),因?yàn)闊崃繉?duì)其運(yùn)行和使用壽命有著強(qiáng)大且嚴(yán)峻的影響。當(dāng)電子設(shè)備過(guò)熱時(shí),元件會(huì)以更快速度損耗、退化,超過(guò)閾值進(jìn)入安全模式,隨后停止工作。最終可能引起整個(gè)系統(tǒng)永久性失效。因此,隨著科技不斷發(fā)展,熱管理對(duì)當(dāng)今電子設(shè)備的功能和性能有著重要影響。

那么,如何管理電子設(shè)備中的熱問(wèn)題呢?我們知道,熱量從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方主要有三種方法:對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射。對(duì)流是指熱量從固體表面?zhèn)鬟f到周圍流體。傳導(dǎo)是指通過(guò)固體材料傳熱。對(duì)于熱傳導(dǎo),材料選擇很重要,電子設(shè)備大部分使用銅和鋁等熱的良導(dǎo)體來(lái)快速傳熱。最后是輻射,電子設(shè)備中的熱輻射是指溫度引起的電磁輻射。通過(guò)輻射傳熱的效率遠(yuǎn)低于傳導(dǎo)和對(duì)流。

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圖1:散熱器周圍典型的熱傳遞

如何消除電子設(shè)備散發(fā)出的無(wú)用熱量呢?許多技術(shù)可用來(lái)散熱,但有效的是散熱器。散熱器是指CPU、圖形卡等電子系統(tǒng)中的大塊金屬物體。散熱器的效率高度依賴于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。為使散熱器效率最大,需要考慮一些因素。最重要考慮的是散熱器需要散掉的熱量。其次是流動(dòng)特性,也就是散熱器通過(guò)的流體流量和旁通流量。再次是系統(tǒng)在引入散熱器之后的壓力下降。最后一點(diǎn)是設(shè)計(jì),包括設(shè)計(jì)成本、是否能實(shí)際制造出來(lái)以及使用何種材料。銅的熱導(dǎo)率約為鋁的兩倍,但密度是鋁的三倍,因此銅只應(yīng)在必要時(shí)使用。

電子器件散熱的最佳方法是將散熱器安裝到熱源表面上以增大熱源表面積。利用增大的表面積,散熱器能更有效地將熱量從熱源傳遞到鄰近流體。熱量通過(guò)傳導(dǎo)從熱源傳遞到散熱器,然后通過(guò)對(duì)流從散熱器傳遞到周圍流體,也可以通過(guò)輻射傳遞到周圍區(qū)域。

這些器件廣泛用于電子系統(tǒng)中,會(huì)釋放出大量無(wú)用的熱量。換言之,散熱器是被動(dòng)換熱器,吸收熱源中的熱量并將其擴(kuò)散到空氣中;若配合風(fēng)扇或旋轉(zhuǎn)器件使用,將能主動(dòng)給系統(tǒng)組件散熱。熱擴(kuò)散使系統(tǒng)溫度均一化,防止其過(guò)熱。說(shuō)到增大表面積和占用大塊空間,在散熱器中直接增加風(fēng)扇可能是一種廉價(jià)且節(jié)省空間的通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流大幅改善散熱器性能的途徑。

如何設(shè)計(jì)并選擇適合這種用途的散熱器呢?此外,可以提高散熱器效率的所有已知因素是什么?如何設(shè)計(jì)并優(yōu)化散熱器,從而以最高的效率和最低的成本實(shí)現(xiàn)需要的溫度?答案是使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)。CFD利用數(shù)值非線性微分方程來(lái)描述具有固定幾何形狀和邊界條件的流體流動(dòng)(Navier-Stokes方程)。

CFD的主要優(yōu)勢(shì)是可利用其虛擬建模方法和強(qiáng)大的可視化功能來(lái)估計(jì)各種應(yīng)用的性能。CFD能夠預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能,不要求修改實(shí)際系統(tǒng)或原型。因此,甚至不必觸碰實(shí)際原型,便可利用CFD來(lái)預(yù)測(cè)哪些設(shè)計(jì)變更對(duì)增強(qiáng)性能最為重要。CFD能提供比任何其他理論或?qū)嶒?yàn)方法都更準(zhǔn)確、甚至更好且詳細(xì)的系統(tǒng)信息。與做實(shí)驗(yàn)相比,CFD的成本要低得多,所花時(shí)間也更少,因?yàn)樗簧婕皩?duì)系統(tǒng)的物理改變。

在實(shí)習(xí)期間,我利用MentorGraphics的CFD仿真包FloTHERMXT來(lái)測(cè)量印刷電路板(PCB)上兩種不同散熱器的性能。PCB是均一的,具有各向同性熱屬性。這些屬性常用于具有多層絕緣材料和銅走線的PCB中,使得PCB的熱阻率是沿著電路板水平方向,而不是垂直方向。PCB上主芯片的總功率為1W,主芯片周圍的細(xì)長(zhǎng)芯片功率為2mW,右邊迷你芯片的功率為1mW。

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圖2:含不同層和銅走線的PCB

第一次仿真僅有PCB,用以估計(jì)總功耗。主芯片的溫度測(cè)得為55.7oC。結(jié)果顯示,通過(guò)自然對(duì)流的散熱方式不足以冷卻PCB上的主芯片。

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圖3:PCB溫度分布

在第二次仿真中,我在主芯片正上方增加了一個(gè)矩形順排散熱器,其間有一個(gè)熱界面層。我使用的是氮化鋁熱界面層?？諝庠谥餍酒蜕崞髦g形成熱阻,因此強(qiáng)烈建議使用這種熱界面層。

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圖4:通過(guò)填充空氣的熱界面材料導(dǎo)熱

當(dāng)電子器件的熱路徑中有兩個(gè)或更多固體表面時(shí),需要使用熱界面材料(TIM)。典型機(jī)加工材料的表面粗糙且有起伏,表面之間的實(shí)際接觸點(diǎn)相當(dāng)少。兩個(gè)表面之間的間隙填滿空氣,對(duì)于兩個(gè)表面之間的熱傳遞,空氣是絕熱體和屏障。因此,利用TIM填充空隙以消除兩個(gè)表面之間的空氣,可以改進(jìn)熱傳導(dǎo)過(guò)程,增強(qiáng)兩種材料之間的熱傳遞。

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圖5:矩形順排散熱器鰭片幾何形狀信息

對(duì)任何應(yīng)用,為了找到最合適的散熱器,都需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的人工計(jì)算,先使用關(guān)系式,再使用鰭片效率公式。典型關(guān)系式計(jì)算平板上流體的熱傳遞效率。熱傳遞工程教科書(shū)上有大量相關(guān)資料。鰭片越多,表面熱交換效果越好,但隨著鰭片數(shù)量增多,散熱器壓降也會(huì)提高。因此,流速一定時(shí),鰭片數(shù)量存在一個(gè)最優(yōu)值。

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圖6:矩形順排散熱器直接安裝在PCB上主芯片的上面

在第二次仿真中,我用TIM直接把散熱器貼在主芯片上表面上。我選擇的是鋁制散熱器。仿真結(jié)果顯示,散熱器的增加和自然對(duì)流使主芯片溫度降低。溫度從55.7oC降至53.2oC,主芯片總溫度降低2.5oC。

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圖7:配有透明風(fēng)扇的矩形順排散熱器

在第三次仿真中,我直接在散熱器鰭片的上表面加裝一個(gè)風(fēng)扇,其流速為0.008m3/s,直接吹入散熱器中。強(qiáng)制對(duì)流導(dǎo)致主芯片溫度降低至36.3oC,溫差為19.4oC,添加的風(fēng)扇來(lái)自FloTHERMXTSmartPartTM庫(kù)。

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圖8:徑向自旋散熱器

在最后一次仿真中,我使用了一個(gè)鰭片自旋式散熱器,該散熱器結(jié)合了散熱器和風(fēng)扇的功能。轉(zhuǎn)速調(diào)整至100RPM,其位于主芯片上,二者之間有界面層。我對(duì)CFD庫(kù)中的該散熱器應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)區(qū)域邊界條件以實(shí)現(xiàn)自旋。此類散熱器非常有效,因?yàn)樗鼫p少了散熱器自旋和主芯片周圍活動(dòng)部件引起的靜止空氣量,使熱阻不再存在。

將自旋散熱器安裝到主芯片上方之后,溫度降至35.7oC,溫差為20.0oC。來(lái)自CFD庫(kù)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域SmartPartTM對(duì)實(shí)現(xiàn)這一出色性能起到了幫助作用。