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电子科技大学_产品的热设计方法

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元器件工作结温的计算
 元器件的工作结温计算
  如果已知道散热器台面温度Ts , 则器件的工作结温为:
            Tj=Ts+ PT×Rth(j-s)
                       Rth(j-s) =Rjc+Rcs+Rb
                       Rth(j-s)-器件结到散热器的热阻,℃/W。
                       Rjc- 器件结壳热阻,℃/W,从器件使用手册中查得
                       Rcs-- 壳到散热器的热阻,即接触热阻, ℃/W,可根据从器件使用手册中查得的值乘以适当的系数得到。
                       Rb- 绝缘垫片的热阻,℃/W,可绝缘垫片的数据资料中查得,无绝缘垫片时该项热阻为零。
 如果已知散热器的热阻,环境温度,则器件的工作结温为:
            Tj=Ta+ PT×Rth(j-a)
                       Rth(j-a) =Rsa+Rjc+Rcs+Rb
                        Rth(j-a)-器件结到环境的热阻,℃/W。
                        Rsa-散热器热阻,℃/W
 元器件的工作结温计算
 [案例1]30A模块中,输出二极管处散热器的台面温度为94.6 ℃,二极管的最大结温为175 ℃,结壳热阻为0.45 ℃/W,接触热阻为0.15 ℃/W,绝缘垫片的热阻为0.3 ℃/W,计算二极管的工作结温。
       Rjs= Rjc+ Rcs+Rb=0.45+0.15+0.3=0.9℃/w
       Tj= Ts+Pd×Rjs=94.6+44.2×0.9=134.4 ℃
 [案例2] 如把[案例1]中的二极管在一散热器中央,散热器的热阻为0.8 ℃/w,环境温度为40 ℃。
           Rjs= Rsa+Rjc+ Rcs+Rb=0.8+0.45+0.15+0.3=1.7℃/w
           Tj=Ta+ PT×Rth(j-a).=40+44.2×1.7=115.2 ℃


热仿真技术
 为什么要进行热仿真分析?

  提高产品的性能及可靠性。
 更快地将产品投放市场。
 降低设计、生产和重复设计、生产的费用。
 减少试验和测量的次数。
 仿真分析技术及软件介绍
 电子设备热设计软件是基于计算传热学技术(NTS)和计算流体力学技术(CFD)发展电子设备散热设计辅助分析软件,它可以帮助热设计工程师验证、优化热设计方案,满足产品快速开发的需要,并可以显著降低产品验证热测试的工作量。
 目前商业的热设计软件种类繁多,有基于有限体积法的Flotherm、I-deas、Ice-pack、Tas-Harvard thermal、Cool it、Betasoft,及基于有限元的Ansys等,其中Flotherm、I-deas、Ice-pack占据大部分的市场份额。  
 仿真分析技术软件在产品开发的作用

 对产品的温度场作出预测,使我们在进行产品设计开发时关注热点区域。
 进行各种设计方案的优劣分析,得出最佳的设计方案。
 对产品的风路进行优化,最大限度的提高散热效率。

    任何先进的仿真软件已永远无法代替人,软件只是热设计人员所利用的工具之一。所以仿真软件结果的可靠性决定于热设计人员的经验及理论水平。
 ANSYS软件介绍

 Ansys软件是由美国Ansys公司推出的多物理场有限元仿真分析软件,涉及结构、热、计算流体力学、声、电磁等学科,能够有效地进行各种场的线性和非线性计算及多种物理场相互影响的耦合分析。Structure是该软件面向结构分析研究的专用模块。Flortran是该软件面向流场分析研究的专用模块。Thermal是其中面向热设计研究的专用模块。
 Flothermal 热分析软件介绍
 Flotherm是英国的FLOMERICS公司开发的电子设备热设计软件,其最显著的特点是针对电子设备的组成结构,提供的热设计组件模型,根据这些组件模型可以快速的建立机柜、插框、单板、芯片、风扇、散热器等电子设备的各组成部分。
 Flotherm软件基本上可以分为前处理、求解器和后处理三个部分。前处理包括Project Manager、Drawing Board和Flogate。Project Manager用于项目管理、物性参数、网格参数、计算参数的设定等;Drawing Board提供了一个可视化的建立机柜、插框、单板、芯片几何 模型的界面和计算网格划分工具。通过在Project Manager和Drawing Board中的互动操作,就可以完成具体的建模工作。 Flogate是一个数据接口模块,它可以把单板的装配图文件(IDF 格式)导入Flotherm,直接完成单板的建模设计。 求解器是Flosolve模块,它可以完成模型的瞬态和稳态温度场和流场计算。后处理部分包括Visulation、Flomotion和Table,Visulation完成仿真计算结果的可视化显示;Flomotion除了也可以实现可视化显示外,还可以制作流场的动画显示;热分析模型的大量计算数据如某区域的平均温度、空气流量等可以通过Table模块查询。

 传统的热设计方法与仿真分析方法的比较
 在操作流程上面的差异
     传统的热设计方法利用设计者的经验确定出设计方案,然后利用经验公式进行估算,在通过试验进行验证,并根据试验结果进行优化。
     仿真分析软件可以同时对多种设计方案的优劣进行分析比较,并能够确定出最佳的设计方案。如果软件使用者具有足够的热设计经验,则完全可以省略试验验证的环节。从而达到缩短设计周期的目的。
 优缺点比较

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