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热设计研发流程(节选)

leonchen
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电子产品温度控制的重要性和基础理论在前面的章节已经做了阐释。不管多重要,热的问题始终只是产品要考虑的因素之一,在毫无设计边界前提下解决散热问题是容易的,但那样做是不对的。过程中我们必须综合考量产品其它方面的要求。而且,多数情况下,产品的各项设计方案是不断互动更新、迭代收敛的,越精密、复杂的产品,其可能经历的修改版本数就越多。一个产品的开发过程中,产品的设计不匹配性被发现的越早,解决起来所耗费的代价越低。一个广为人知的例子是2016年三星NOTE 7手机电池爆炸事件。产品开发阶段,设计人员没有发现这一隐患,产品流通到市场之后安全事件频发。三星公司不得不采取全球召回,造成的直接经济损失就高达数十亿美元。这一事件带来的品牌损失更是难以估量[1]

发现这种设计层面的不合理,除了每个岗位上的工程师自身专业能力足够强,另一个同样重要的手段就是保持信息的协同。一个好的研发流程,其特征之一是在尽可能不降低工作效率的前提下促使这种信息的及时协同。当然,这个概念上的研发流程已经上升到了整个产品的层级,其实质是一个市场-研发-供应链的协作体系。这反映到热设计部分,就是我们在提出初步的热设计方案后,需要密切关注产品开发过程中的各项更新,与项目组其他人员持续协作,保持对产品最新需求的实时跟踪,迅速、及时调整自己的方案。

本书聚焦于热设计,因此本章重点从热设计工程师的角度放大其中热设计相关的部分。

热设计工程师的工作将贯穿项目开发全程。对于某些产品,当产品上市后,在其服役过程中现场出现的一些散热、噪声等问题也需要热设计工程师提供方案去解决或者改善。本书后面的章节,会以热设计工程师的工作流程为序,依次讲解各个环节需要用到的理论及工程技术。

热设计开发流程可以通过如下流程图:

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3-1 热设计工作流程


即包含需求分析,方案评估,设计及测试验证,发布及生产维护四个阶段。

1 需求分析(Requirement Analysis)

任何方案的设计都需要基于特定的需求,热设计也是如此。需求信息的收集有时并不容易,因为这需要其他工程师的配合。一些特殊情况下,热设计工程师甚至需要向其他工程师解释为什么需要拿到这些信息才能评估(随着热设计师专业性被项目组得到承认,这种情况会减少,但初期可能是很大的工作障碍)。在这种情况下,热设计工程师需要对相关基本需求信息进行排序,确保必要信息快速到位,赢取时间。

3-1 热设计需求分析所需信息必要性排序及相关解读

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需求信息的收集是后续所有工作行进的基础。热设计工程师需要根据产品的具体需求,通过经验公式的换算,或概要性的热流仿真,提出相关初步方案。需求分析的关键是快速高效,其给出的结论是非常粗略、精度很有限的。设计者必须在短时间内提供大体的设计思路,确定努力方向,减少试错方向,便于项目组在研发初期根据产品散热需求而做出相应调整。

例如,设计一款室外基站,当应用场景不同时,设计的难点可能完全不一样。当产品应用在南北极时,环境温度在-70~-20℃,器件的热控制可能相当容易,但低温启动可能成为一大难题,产品内部需要预留合理的空间用以设计加热设备,保证产品的正常冷启动;当产品应用在中东的沙漠地带时,户外温度最高可以达到~60℃,全年都在35℃以上,冷启动完全不是问题,而器件的超温问题则成为关键难点。

又如,产品设计初期定义的功耗是90 W,而产品大小为200 mm 200 mm 45mm。通过简单的核算,此产品的功率密度达到~50 W/L,明显超过了常规自然散热方案可解决的范畴(<~25W/L)。这时,在需求分析阶段就必须告知项目成员,此产品需要使用强制风冷设计。这一评估结果给项目组其它成员带来的影响有:

1)        估算产品设计成本,进行产品定价;

2)        硬件工程师设计阶段预留风扇接口;

3)        软件工程师考虑风扇控速策略的执行;

4)        工业设计工程师考虑进出风口的外观兼容;

5)        测试工程师增加噪音、防尘、风扇调速验证测试;

6)        结构工程师的减震、防水、防尘设计。

从上面的影响可以看出,如果需求分析阶段无法给出合理的预估,产品按照自然散热的思路进行的话,那么到样机测试时会发现温度问题无法解决(或者需要使用极高的成本才能解决),项目组必须再将上述六项影响考虑在内,然后对产品进行重新设计。显然,这将浪费大量的物力人力,而且对于产品的交付周期会产生非常直接甚至不可挽回的负面影响。

建议热设计需求分析时间点:结构框架、硬件初步方案以及相关温度标准制定开始时。

(未完待续)


本文节选自:陈继良.从零开始学散热.第三章。


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