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热仿真在电子设备结构设计中的应用研究

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0引言

电子设备的主要故障模式是热失效,其中超过55%是由于冷却系统设计不佳造成的。随着温度的升高,热量增长的效率呈指数增长,一些电子器件随着环境温度每增加10°C,故障率就提高一倍左右。因此,电子设备的热设计和热分析技术长期以来都受到了国内外研究部门的关注。现有的热设计通常基于经验上的传热方程。在成品完工时进行实验测试,如果不符合要求,则需要重新修理、重新测试,这样一来,设计过程十分浪费时间和资源。显然,这种传统的热设计方法已经不能满足现代生产的需要,因此,有必要在产品设计阶段实施更为有效的热模型。热分析软件能够更为实际的模拟系统的热分布,并在产品设计阶段进行温度测试,以确定模型的最高温度点,能够及时更换模型或执行所需的散热装置,能够有效消除温度问题,并将最高温度控制在允许的温度范围内,更好的满足设计要求。

1计算机辅助热分析的数值法

电子计算机热分析的基础是传热的计算,其数值计算方法主要包括:有限差分法、有限元法和有限体积法。

1.1有限差分法的数学基础是用差分来代替微分

能量守恒定律是热传导问题中有限差分法的物理基础。通过观察有限差分方程,可以发现该方程可以通过定义每个元素来保持元素的能量平衡。此外,还可以直接从传热方程和现有边界条件中推导出差分方程。解决物体温度在时间和空间上连续分布问题,实现时间和空间领域中有限数量的不连续温度以及准确控制这些分离时间点的温度问题,这些值可以用于近似连续的温度分布。广泛用于电子设备的热分析技术,其热节点网络的方法基于有限差分方法。该过程的一个具体步骤有:将集中的热分布转换为局部的热分布,将各个区域内的零散的热分布集中在节点上,零热量表示连接节点的热阻为零,基于热平衡原理建立各节点的热平衡方程,通过联合求解方程得到各节点的适当温度。如果整个区域有足够的节点,某些区域的不连续温度分布将取代该区域内的连续温度分布。第1:扫描连续区域,将各个区域中分散的热量集中起来,如果没有热量,就表示为零热量。步骤2:将各个节点连接到热阻,并根据热平衡原理设置其方程。步骤3:在获得每个节点的温度后求解方程,需要注意的是,如果该区域中的节点数量很大,则每个点的不连续温度分布可以代替连续的温度分布。

1.2有限元法是根据变分原理求解问题的一种数值计算方法

主程序需要遵循区域的不连续性,将每个区块的插值函数与每个区块配置的函数表示出来,并与每个点处的极端温度值形成代数方程,再将代数方程求解,它是一种强大的数值计算方法,可以实现微分方程的热量分布处理,然后可以通过计算机辅助编译,更好的解决问题。此方法在对电子设备进行热分析时,则需要执行以下步骤:首先,扫描该区域并列出每个块的功能表达式;其次,形成每个块的插值函数,并构造函数的极点和最后的代数方程;最后求出每个点的温度值。

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1.3有限体积法

有限体积法是一个新的离散方程,它结合了有限元和有限差分方法的优点,因此,有限体积控制方法具有部分有限元方法的特征。使用离散方法时,比差分方法的灵活性更强,计算的更快。大多数现代热分析程序都使用有限体积方法。有限体积法通常用于流体动力学计算,是基于守恒方程的积分形式,可以在计算网格定义的控制中描述,因此,这种方法也称为控制体积法。控制体积法的灵活性和求解速度比上述两种方法快得多。

2电子设备热分析的理论基础

2.1传导效应

传导效应是传热的主要形式之一,由于其本质是热传导过程,也称为热传导,可以基于傅里叶定律来表达。如果物体的温度分布取决于单个空间坐标,并且温度分布不随时间变化,则热量通常是在温度下降的方向上进行传递,这称为一维固定热传导。在一般情况下,热导率的温度取决于时间和X,Y,Z三个坐标,并且在热交换过程中非常容易被消耗。此时,导热率被称为三维不稳定导热率。

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2.2对流换热

对流传热是指相互接触的液体之间的热交换过程,特别是固体表面的温差。该过程可分为两种情况:自然对流和强制对流。由于PA/PM和其他设备在电话板上都被设有屏蔽罩,因此空气屏蔽罩一般都是处于静止状态。因此,在移动电话的电路板中,静电对流主要是静态的。

2.3辐射传热

在热交换过程中释放电磁能并被其他物体吸收的物体。在本领域中通常考虑两个或更多个物体之间的辐射,并且系统中的每个物体同时辐射和吸收热量。它们之间的净辐射传热可以根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算:

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3热分析软件的使用与操作

随着电子应用程序数量的不断增长,许多公司已经扩展了对热分析软件的研究工作,并开发了几个专业程序,比如IcepakFlothrem软件,该软件可以解决一些典型的问题,如电子设备的热分析。该系统还具有模拟不同流体条件下不同物理模型的功能。

4软件热仿真建模

4.1物理建模

在这项研究中,我们选择了具有热源的手机。为了计算总能耗,我们做出以下假设:一部典型的手机,170毫米,70毫米,表面温度均匀。在表面发射率为0.8的保守假设下,当环境温度为25℃,辐射热传导产生的热功耗占据总功耗的一半以上。因此必须仔细设计参数,以达到41℃的接触温度。为了避免手机可能存在的高温现象,表面温度不超过最大允许接触温度,并保证其散热系统。创建模型时,需要定义一些基本参数:(1)环境变量:环境温度为25℃;(2)基本参数:对应模型的外部尺寸;(3)电源设置:安装每个组件,测试其耗电量;(4)材料参数:该型号包含金属、塑料、铜和其他组件,并定义各个导热系数。

4.2网格划分

一旦确定了需要求解的区域,就需要划分需要计算的网格。执行系统网格预设和增量细分设置。在大多数情况下,可以使用网格约束,即添加局部网格和网格位置,以便将网格精确设置在需要温度梯度大的位置上。在创建网格时要特别注意网格的质量。例如,使用GridSummary,可以排除具有高纵横比和高失真的栅格单元。

4.3求解步骤与结果

IGBT块上安装多个温度传感器,例如正向、反向、侧面等检测位置,其设计目的是控制接触温度为41℃或更低,并对用于移动电话的各种导热材料进行检测。在本研究中,假设每个模拟的能量消耗是相同的,但唯一不同的是对于具有高导热性的材料,求解的固体中的热传导方程、高斯定律等,基本的输出量是温度、焦耳等。热传导方程公式为:

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其中p表示的是密度,cp表示的是比热容,k代表的是热导率,Q表示的是所加的热能交换率。第一项代表温度的时间变化率,第二项代表的是温度梯度造成的热能流。T是时间(瞬态情况下)以及空间的函数。

主要的仿真步骤如下:第一:建立好物理机构;第二:设置好仿真区、网格以及Solver;第三:设置边界条件;第四:指定热源;第五:检查网格等;第六:添加监视器;第七:进行仿真计算以及分析。

产生的局部温度变化对某结构的折射率影响是可以通过监视器用Matlab文件保存,然后可以在FDTDSolutionsMODESolutions添加Atribute可以读取。

5热仿真实例

由于移动电话的空间非常小,需要在灰尘、水滴、静电等中进行其密封性能的实验,但目前没有更好地解决方法。因此,改变导热率、增加散热器面积和改变物体的颜色深度是热保护的有效应对方法。散热需要将局部热量尽可能均匀地分布到整个机身,慢慢的将热量发散到外部。由于手机的相机和CPU部件是热点最为集中的,要想实现散热功能,一种方案是增加导热系数高的材料,比如石墨导热片。通过仿真模拟增加石墨导热片的效果,并与不增加时做对比,以确定是否使用。仿真结果如表1所示。

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软件仿真模拟结果表明,加入石墨导热片后,最高温度被有效的降低了,且整个机身的温度也更均匀了。因此,设计规划加入石墨导热片是有效的,可以引入到以后的设计中。

6结论

本文首先从有限差分法的数学基础是用差分来代替微分、有限元法是根据变分原理求解问题的一种数值计算方法以及有限体积三个方面对计算机辅助热分析的数值法进行了分析,然后从热导效应以及对流换热两个方面对电子设备热分析的理论基础进行了概述,紧接着对热分析软件的使用与操作进行了概述,然后从物理建模、网格划分以及求解步骤与结果对软件热仿真建模进行了分析,最后以热仿真实例进行了举例分析。在设计电子设备的结构时,使用热模型可以快速准确地检索热设计分析结果,是开发人员最大程度的了解该设备的性能,通过比较和更改进行各种设计优化。一个好的解决方案是不需要调试物理原型的,这就可以减少开发时间,在减少成本的同时提高设计水平。

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