Icepak軍用機箱散熱解決方案

2017-06-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、項目的必要性

對于軍用電子設備,工作環(huán)境相當惡劣,因此通常采用密封機箱來解決這一問題,而密封與散熱則是一對矛盾,在設計時必須同時考慮內部和外部的兩種熱設計方案,通過合理的熱設計,使其從內部向外部的傳熱達到最佳狀態(tài),從而保證電子設備正常工作。

傳統(tǒng)的熱設計理論和方法于上世紀六、七十年代逐漸形成,受當時傳熱學和傳熱技術發(fā)展水平的限制,只能根據(jù)經(jīng)驗類比或利用由以物理相似理論為基礎的有限的準則換熱公式進行預先估計,并與實驗交替進行來完成整個產(chǎn)品的熱設計。這些方法的計算結果準確性較差,只能做一些簡單的定性分析,并且設計周期較長、材料浪費較多、研制成本較高,嚴重影響了電子產(chǎn)品的開發(fā)工作。近年來,隨著傳熱技術和計算技術的發(fā)展,電子產(chǎn)品熱設計的方法也得到了不斷的改進。目前,以計算結構力學、計算流體力學和計算傳熱學為基礎的一些新型電子產(chǎn)品熱設計技術在逐漸形成,電子設備熱設計技術作為一門新的學科已經(jīng)建立起來,一些學者和工程技術人員致力于這方面的研究工作,并獲得了一些初步的成果,在此基礎上人們針對以往那種先有產(chǎn)品后做熱設計的做法提出了一種新的熱設計思想,即前端熱設計。所謂前端熱設計是指在產(chǎn)品的預研和開發(fā)階段解決熱設計的基本問題,對熱設計的方案的可行性進行全面分析,對設計結果進行準確的預測,對熱設計方案進行分析和優(yōu)化。

前端熱設計要求需有可靠的仿真計算工具進行熱設計的前端分析,要求能夠得到準確的計算結果,并能將結果定量地生動地呈現(xiàn)出來。目前市面上的商用仿真軟件,從建模處理、網(wǎng)格劃分、求解計算和結果后處理綜合來看,ANSYS ICEPAK無疑是最佳的選擇。

二、項目背景

這里以一個全封閉、無風扇機箱設備開發(fā)案例的熱設計過程來闡述ICEPAK在產(chǎn)品開發(fā)過程中的有效性和必要性

問題的關鍵就是在不增加系統(tǒng)溫升的情況下怎么處理系統(tǒng)散熱

總體方案:整個系統(tǒng)由三個艙組成,變壓器艙,主Power板艙,散熱片艙,三個艙相互隔開,以減少相互影響。

系統(tǒng)thermal模型圖如下圖所示:

三、分析過程

3.1 變壓器

在此種UPS中,變壓器是一個較大的功耗元器件,對系統(tǒng)的溫升的影響不可忽視,進而影響到其他功耗元器件得溫升。本項目中,通過分析機箱的三種不同設計,來觀察整體溫度場的變化情況。

1.變壓器與Power板用薄板隔開

上圖為加隔板前后整個溫度場分布情況,由圖可以看見,加隔板后,Power板側的元器件溫升都有所下降了10~20℃。

作用:將Power 板密閉,與外界隔絕;減小變壓器對Power板側的溫度影響;

2.變壓器鐵心四周加散熱片

加散熱片前,變壓器的最高溫度約為148℃。

加散熱片后,溫度降為110℃。

3.變壓器艙合適位置開孔

在變壓器一側開孔,氣流比較紊亂,無明顯的流場,變壓器的溫升也較高。

在變壓器側面兩側底部及其正上方頂部開孔,由圖可見,氣流從底部進入,頂部流出,帶走變壓器的熱量,變壓器的溫升較前有所改善。

3.2 Inverter電路中的Mosfet的散熱片外掛

負載1000va,700w。3w/pcs Mosfet,共用20pcs的結果如下:

散熱片規(guī)格為:97×280×40mm3,此款散熱片用在2000va,1400w時,4.9w/pcs Mosfet。溫度分布如下圖所示:

溫升較高,當散熱片改為:110×380×40 mm3(2000VA,1400w),溫升如圖所示:

其它措施:選用開關時間更短的Mosfet,降低本身功耗

3.3濾波電容,晶振溫升解決

layout時的電容位置盡量分開

2.在晶振上加小散熱片

下圖為加散熱片前后溫度分布對比圖:

四、實驗驗證

實驗驗證仿真結果所給出的技術方案:

試驗溫升數(shù)據(jù)(放電11小時,取最大值),單位:℃

coil	core	Mos1	Mos2	Mos3	Mos4	CPU	Cap1	Cap2	晶振
134.5	110.7	60.9	65.5	74.4	74.3	52.8	88.6	84.8	58.6

五、結論

經(jīng)過以上動作后,除了改PCB板以便安裝散熱片外,此種設備的散熱問題完全可以解決。

通過以上實例,我們能看到熱分析軟件在產(chǎn)品開發(fā)、優(yōu)化中的巨大使用價值。利用ICEPAK的仿真能力,我們能在產(chǎn)品開發(fā)的初始階段,尋找最佳的散熱布局,優(yōu)化器件的選型,減少乃至消滅設計失誤,減少設計的反復,減少試驗樣機的打樣數(shù)量。最終減少了時間和成本需求,提高了設計效率。

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