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电子产品热设计-机械壳体篇

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电子产品如手机、服务器、网络设备、智能手表、电动汽车电子控制单元等产品的尺寸变小,功能增多,导致热耗增大,从而作为产品电子产品机械部件的壳体设计越来越重要。不管是开口壳体还是封闭壳体,电子产品的热量都需要经过壳体散发到环境空气中。

如图1所示,1U服务器布置非常紧凑,壳体内空气流动复杂,因此优化壳体内空气流动,确保关键芯片有足够冷空气冷却;壳体结构设计必须符合产品热管理要求。

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图1 Simcenter FloTHERM 仿真分析1U服务器壳体内空气流动

西门子工业软件Simcenter FloTHERM和Simcenter FloTHERMXT可以在产品概念设计阶段,利用“Enclosure”智能部件优化壳体大小、开孔、风扇布置、PCBA在壳体中安装与布局,从而优化空气流动,确保产品热可靠性。对于详细机械结构的壳体,可以通过Simcenter FloTHERM的FloMCAD Bridge 导入到Simcenter FloTHERM中做优化设计,也可以在Simcenter FloTHERM XT中通过机械参数尺寸优化壳体设计。在客户案列基础上,本文给出壳体设计需要考虑的一些因素,供热设计工程师参考。

第一考虑点:壳体设计中,需要确保关键芯片散热有足够空气流道。电子产品各种接头,数据线可能会占用空气流道,从而增加空气阻力,风扇工作点向压力大处偏移,导致流量变小而芯片节温偏高;自然对流、封闭壳体的电子产品中的连接器可能会导致壳体中空气回流,如果热空气回流点出现在主要芯片处,就会导致产品失效。因此在机械壳体设计中,不仅需要考虑高功耗芯片,也需要考虑产品连接器,数据线(如图2所示)对空气流动的影响。

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图2 电脑中数据连接线

第二考虑点:选择合适风扇安装在壳体上合适位置。

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图3 风扇类型从左到右:轴流风扇、径流风扇、离心风扇

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图4 轴流风扇,径流风扇以及混流风扇的标准化P-Q曲线

不同类型的风扇外形如图3所示,P-Q曲线如图4所示。径向风扇通常会产生高压力而流量低,轴流风扇流量高而压力低;如何选择风扇,主要依据是控制芯片节温需要的风量,满足风量条件下,为设计余量,如果外壳有安装空间,工程师通常会选择大风扇,大风扇出风大,工作点转速慢,噪音小;大风扇成本高,风扇电磁兼容EMC问题很难解决,电子产品小型化,迫使工程师选择更小更便宜的风扇,如此风扇转速高,噪音大,风量也会少。

第三考虑点:强制对流电子产品,风扇对壳体来说是抽风还是送风。从系统热设计时,首先需要考虑风扇送风进外壳还是风扇从外壳抽风,送风系统在外壳内产生正压,各个PCBA板,连接器都是阻力部件,风扇布置和各个PCBA插槽板间距与布置需要优化才能保证空气合理均匀分配;目前笔记本电脑采用送风。复杂的电子产品,为保证流量,通常安装内部风扇,送风风扇与抽风风扇组合应用。抽风系统在外壳内产生负压,会有环境空气漏入系统而大固体颗粒会被入风口滤网过滤掉,抽风系统流动会更加均匀。在壳体详细设计阶段,一定要考虑风扇在壳体上的安装,确保减少高速风扇因机械振动而产生的噪音。

第四考虑点:利用导流板让壳体内风速均匀,减少环流。导流板通常放在送风风扇后面,导流板加入会导致送风系统阻力增加,流量减少;导流板产生阻力越大,流动越均匀,如图5所示。

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图5 Simcenter FloTHERM XT中利用导流板分配流量

如图6所示,风扇托盘安装同类型的轴流风扇,因轴流风扇送风速度高时有“喷射”效应,轴流风扇会产生非轴流速度;风扇流量越高,轴流风扇越容易产生径向速度,为确保风扇托盘后空气流量均匀,流向一致,通常需要考虑加导流板。

风扇流速大产生径向速度,出口形成涡流,有效散热空气减少,建议加导流板

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图6 Simcenter FloTHERM中轴流风扇并列送风流动不一致示意

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图7 具有EMC阻隔功能的外壳蜂窝通风孔

第五考虑点:优化设计壳体通风孔尺寸。不管抽风还是送风散热,空气都需要经过壳体通风孔,不同尺寸与布局通风孔会产生不同压力损失和空气流动速度。抽风系统可能会在入风口处因系统与壳体通风孔设计不合理,导致入口速度大而回流,从而增大压力损失,减低流量而产生产品局部“过热点”。壳体开孔会产生电磁干扰EMC问题。如图7所示。利用铝合金薄板成型的壳体开蜂窝通风孔,开孔率达95%,同时开孔铝板具有EMC屏蔽功能,然而开孔直径过小导致空气流过微小孔压力损失太大,需要用大风扇,增加成本。

第六考虑点:优化风扇和通风孔在外壳上放置位置与大小。

第七考虑点:优化PCBA在壳体中的放置,如图8所示,PCBA在外壳体内不同位置,导致热源位不同;热空气上浮,冷空气进入壳体内,从而流动形态和速度有差别,散热效果不同。

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图8 路由器PCBA在外壳中放置位置影响散热效果

第八考虑点:充分利用壳体导热。对于壳体完全封闭的电子产品,热源热量直接通过传导进入壳体,壳体导热均温,壳体与环境自然对流导出产品热量达到散热效果,如图9所示的智能手机产品。

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图9 Simcenter FloTHERM XT中智能手机热分析效果

第九考虑点:壳体内表面增加热扩散功能。在PCBA与壳体直接接触时,利用金属PCBA板;平板热管连接壳体与热源;壳体内部利用石墨薄片均温等。

第十考虑点:是否可以用相变材料减少热冲击。如图9所示,对于快充设备,相变材料可降低产品壳体温度。

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图10 Simcenter FloTHERM中相变换热仿真

第十一考虑点:壳体自然对流电子产品,务必增加辐射换热。

第十二考虑点:壳体机械设计MCAD与电路板EDA设计协同进行。Simcenter FloTHERM XT提供产品在概念设计阶段协同优化壳体机械设计与EDA芯片布局优化设计,确保产品热可靠性。

总结:西门子工业软件Simcenter FloTHERM& Simcenter FloTHERM XT 提供电子产品壳体热设计工具平台,让热设计智能化,如利用外壳温度反馈控制风扇转速达到散热效果,Simcenter FloTHERM中都能实现。再比如Simcenter FloTHERM中“controller”可根据芯片温度选择发热功率和使用频率,从而让热仿真智能化。

本文来源:Mentor机械分析,作者:周志雄

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