FloTHERM_通讯电子产品散热仿真实例详解

FloTHERM通讯电子产品散热仿真实例详解,主要内容,2,FloTHERM简介,FloTHERM作为全球第一款专门针对电子器件/设备热设计而开发的仿真软件，可以实现从元器件级、PCB板和模块级、系统级到环境级的热分析。FloTHERM软件自1989年推出以来就一直居于市场领导地位（市场占有率高达70%）并引领该行业的技术发展。其研发人员是全球最早开始研究CFD理论的科研人员，也是最早一批将传统的CFD仿真技术工程化的技术先驱。,3,FloTHERM简介,4,元器件级：芯片封装的散热分析,板级和模块级：PCB板的热设计和散热模块的设计优化,系统级：机箱、机柜等散热方案优化及散热器选型,环境级：机房、外太空等大环境的热分析,FloTHERM简介,5,流动与传热分析瞬态分析Monte-Carlo辐射计算太阳辐射计算液冷分析,主要内容,6,FloTHERM在通讯局端插箱热设计中的应用,7,为了避免整个热设计工程中的反复，降低设计成本，缩短设计周期，电子散热设计通常与电路设计和结构设计同步进行。,一部分产品的散热采取了强迫风冷形式的散热确定整个设备、单板槽位以及模块电源的阻力特征曲线和整机系统风道特性，以及快速评估单板以及整机系统是否满足市场客户提出的散热需求就成为电子热设计的一大难题。,FloTHERM中相关功能和模块：WindTunnel（数值风洞模拟）AdvancedResistance（高级阻力模型）CommandCenter（参数优化功能）Zoom-In功能模块（快速仿真计算评估）,中兴通讯股份有限公司,通讯局端插箱,8,通讯局端插箱结构,局端插箱的强迫风冷,槽位单板数值风洞建立,9,用户板布局图,插箱中的用户板布局如左下图所示,由于系统槽位比较多，为了减少软件仿真计算时间以及设计反复带来的浪费，我们特地对系统槽位单板进行一个数值风洞的模拟，如右下图所示。,单板数值风洞模型,槽位单板数值风洞建立,10,槽位单板风道阻力及对应的风量和风速计算结果,之后把单板的高级阻力模型应用到系统的每一个槽位。同时可以利用软件中的CC（CommandCenter）的参数优化功能来一次性得到数个风量不同下的风道阻力，从而得到设备或者槽位的风道阻力特性曲线。,槽位单板数值风洞建立,11,在这里需要说明的是：由于我们只需获得单板的流动阻力特性，建模时只需设定设备的结构参数，无需设定物理参数，如导热系数、密度、比热等。将计算模型设定为FlowOnly。这样软件在计算过程中只计算动量守恒和质量守恒方程，无需计算能量守恒方程，大大地提高了计算速度，同时也避免了热特性对流场的影响导致阻力特性变化。,单板槽位风道阻力特性曲线,FloTHERM高级阻力模型的应用,12,FloTHERM中高级阻力模型参数,FloTHERM软件中的流体高级阻力模型需要设置的参数如图所示，在使用这个模型要解决的关键问题是如何把实际测试的阻力曲线转换成软件所需要的参数。一般情况下我们可以用一个二次二项函数来描叙实际测试的阻力曲线。此时，我们取Index=0、入口处开孔率FreeAreaRatio=1、特征长度LengthScale=1；现在需要计算的只有A、B这两个系数。,FloTHERM高级阻力模型的应用,13,流动阻力压降的计算公式,一般采用体积阻力模型，计算公式如左图所示。根据简化后的流体伯努利方程的计算公式如下图所示，将得到的槽位单板阻力特性曲线的一次项和二次项系数带入到下图中的计算公式，并根据产品所处环境温度下的空气参数计算高级流体阻力模型中的系数，可以得出FloTHERM软件中的高级流体阻力模型中的系数A和B。,计算FloTHERM软件中的高级阻力模型的A、B系数,FloTHERM高级阻力模型的应用,14,槽位单板高级阻力模型参数设置,Zoom-In功能模块在系统槽位上的设计与应用,15,当系统槽位的单板简化阻力模型建立好后，应该把相应的体积阻力模型放到系统槽位，同时给各阻力模型赋予一个与实际热耗相同的体积热源，系统模型如图所示。,系统插箱仿真模型Zoom-InRegion之前的模型,Zoom-In模型生成,16,本系统插箱是在第三槽位做一个体积Region，当Region建立好后，就可以使用FloTHERM软件中的ZoomIn功能来分析生成一个带有局部环境参数的Zoom-In模型。为了得到高质量的Zoom-In环境模型，在这里需要注意的是：系统Modeling必需带有以下参数：温度、压力、速度以及HeatFluxes；Zoom-In的Region边界不要接近系统网格和局部网格边缘；二维阻力模型和任何打孔模型的网格约束都不能与Zoom-In边缘接近；网格的划分应遵守CFD软件的一般规则：防止奇异网格的产生。注意网格的数量和计算的精度并不是成线性关系，在保证必要精度的前提下，网格数量尽量少，以提高计算速度。,Zoom-In功能模块使用步骤：1、在建立好的高级阻力和槽位Region模型后，初始化系统模型并计算；2、在槽位Slot3创立的Region处，点击右键并CreatZoomIn，并生成下图的模型。,Zoom-In模型生成,17,Zoom-In功能生成后的系统模型,从左图中可以看出，当使用Zoom-In功能后，除了在我们要求定义的Slot3槽位的Region以及系统外围架构还存在之外，其他的部分系统模型都给去掉了。从图中可以看出，当使用Zoom-In功能后，系统的模型大大简化了，系统网格也大大减少，同时该槽位单板的所有热和流体流动物理边界条件都通过Zoom-In生成了。,这个功能也可以在FloTHERM软件中的Cut-Out功能模块来实现，在这里就不对Cut-Out功能进行说明。然后，我们在Zoom-In环境下建立单板的详细芯片模型，系统会在很短的时间内，把我们想要的结果计算输出，此时能够给热设计工程师一个很细化的单板散热评估和风险评估分析。,Zoom-In模型生成,18,Zoom-In系统的详细单板模型,为了对比我们Zoom-In功能模块生成的模型与之前直接放在原来整机系统模型对应的第三槽位电路板PCB板上的芯片温度，特地把详细PCB版芯片模型也建到如下图中的系统模型。,原系统模型中Slot3槽位布局单板详细芯片模型,仿真结果对比,19,单板模型在原系统的仿真结果,单板模型在Zoom-In系统的仿真结果,与实验结果对比,20,由于产品属于公司保密性质，没有把实际产品的测试数据写出来做一个对比分析。最后仿真数据与实际测试的数据误差，主要在于系统网格的划分以及系统单板芯片功耗的准确性，如果这两方面做到了，软件仿真出来的数据与实际误差是可以在接受范围之类。本示例的重点是在于对热仿真分析软件FloTHERM中比较重要的功能模块在通讯产品上的散热设计和应用说明。,结论,21,在电子设备热设计中，传统的经验评估以及无法及时满足产品开发的速度和市场客户的需求。而借助于CFD软件来仿真设计产品的散热，就会避免因为传统方法中因经验不足，数据不充分所导致的误差以及繁琐的解析计算过程。这种基于流体传热的基本动量守恒定理和质量守恒定理，利用成熟的数值计算方法，只要网格的大小、数量和布局合理，就会与实际得到非常接近的计算结果。,FloTHERM软件提供上述的数值风洞、高级阻力模型、CommandCenter优化参数以及最新的Zoom-In功能，无疑给我们热设计工程师提供非常快速解决和评估产品散热能力的一种设计手段和思路，这大大的节省了产品开发的时间周期，也会为产品赢得了市场上的可靠性优势，最重要的是如果后续产品的升级和产品功耗的增大，而FloTHERM软件的这些功能就会为热设计工程师提供快速评估产品的系统散热能力和单板芯片散热瓶颈，从而更好的帮助产品提高在市场上的占有率。,主要内容,22,车载雷达户外接收机箱设计,23,机箱在运输状态下的轴测图,该机箱是用于车载雷达上安装接收电子模块并保证其正常工作的一种结构件。机箱安装在天线罩外，工作时接收机随天线罩一起被举高XX米。根据技术指标的要求，塔上设备要求空间尺寸小，重量轻，满足户外使用环境：工作温度-40+55（室外）；能防雨、防盐雾和灰尘。这对接收机从体积、重量、线缆布局、户外防雨、防盐雾灰尘到接收机本身的散热以及可维修性等方面都有严格的要求。,南京电子技术研究所,机箱的结构及组成,24,包括多种设计考虑：机箱内、外走线的设计防雨、防尘、防盐雾的设计电磁屏蔽设计机箱的维修性能机箱的热分析,机箱整体采用了框架式结构，主要由箱体、导板、风机、空气过滤器、前后门板等构成。箱体框架与四周的蒙皮一体构成箱体基本外形，箱体底部设计有进风口和出风口，另有截止波导窗安装位置；导板被固定在箱体框架上；散热过滤器分别固定在箱体上进风口和出风口位置；风机固定于插板上，插在箱体框架的一侧，被锁紧机构固定于箱体上；前、后门板通过铰链固定于箱体上，另一侧用收缩搭扣与锁钩配合，将门板压紧在柜体上而不需其他紧固方式；门板及箱体上特殊配合结构使系统防雨水。组件模块沿导板槽插入箱内，通过锁紧机构进行固定。,机箱在运输状态下的轴测图,机箱的热分析,25,热分析主要考虑机箱的散热问题散热设计主要是风道的设计及特定的进、出风口条件下能带走的最大热量，以满足模块正常的工作条件。,风道的设计冷风从箱体底部右侧的进风口通过空气过滤器，以大于3m/s的风速流经组件模块之间的间隙，与组件壳体进行热交换后经箱体左端的风扇、空气过滤器、从箱体底部左侧出风口流出。设计时箱体底部的出风口大于箱体底部的进风口，箱体底部的进风口的有效面积不小于0.015m2。设计箱体时，对风道的设计要考虑周到，防止风向短路。,机箱内风道X轴的方向,热仿真对机箱方案的优化设计,26,箱内装有数十只组件模块，模块的总功耗350W，根据机箱内的总功耗及模块数量，除电源组件的功耗较大外，其它组件的取平均值，取单只组件的功率为8W，进风温度为55C，考虑到风扇把风压入组件间隙时，有一定的风阻，机箱设计时把风扇与组件间隙的距离设计为50mm，由于走线的需要，组件模块左右之间间隙设计为30mm，对组件与组件上下之间不同的间隙进行建模，取不同的进风量分别进行仿真。其结果如下表。,热仿真对机箱方案的优化设计,27,根据以往实验对组件模块测得的结果，在组件模块外壁温度不超过65C时，接收系统能正常工作，通过对以上仿真结果进行比较，结合接收机箱的结构、尺寸、布局、物性等综合考虑，我们认为进风口流量为140m3/h至160m3/h，风道内X轴向最大流速在4m/s至5m/s，相邻组件模块间隙选取4mm比较适合，对发热量大的个别组件模块如电源组件，采取适当加大组件模块的间隙(间隙取5mm)进行处理。,风机的选取机箱内总风量为140m3/h至160m3/h、风道系统阻力约为35Pa至45Pa，综合考虑风扇噪声、工作环境等条件，根据风扇P-Q曲线图，选用风机型号为PAPST4188NXM，采用2只风机并联作为机箱系统的冷却风源。该风扇主要参数：3.5W；工作温度-30C至75C；工作电压36V至56V；压力为40Pa时，风量为80m3/h；转速为2800转/分；寿命37500小时至85000小时。,热仿真结果,28,由于FLOTHERM软件具有极其方便的太阳辐射仿真功能，为使模型更加接近真实情况，在求解前必须打开太阳辐射功能，根据设备所处的地点、朝向、工作时间、气候条件等进行设置；对于机箱散热仿真中风机的建模，将风扇P-Q曲线输入后，需要考虑风机扇片的速度对模拟结果的影响，选取Swirl开关进行设置风机扇片的转速。,机箱内各组件模块温度云层分布图,机箱内外最大压力差云层分布图,结论,29,将型号为PAPST4188NXM两只风机并联作为机箱系统的冷却风源，对机箱系统进行热仿真，机箱内组件模块的壳体最大外壁温度为63.73C，小于65C；机箱内外最大压力差为40.807Pa，风机工作点处于其最佳工作区域，满足机箱的热设计要求。,该机箱贯彻了通用化、系列化、组合化设计指导思想，本产品在设计中尽可能地利用了我所三化的组件模块，保障了对标准系列尺寸的机箱具有通用性和互换性。该机箱还具有结构紧凑、外形美观、牢固可靠且重量轻的特点，经受住了振动、冲击、高低温、淋雨、等一系列例行试验，证明这种机箱的结构形式、刚度、强度设计和热设计是合理的，满足了该雷达的使用功能。,主要内容,30,机柜散热设计,31,AmphenolTotalConnectionSolutions(TCS)使用Mentor公司的Flotherm软件解决了热耗率1.7kW的14U机柜散热问题。Amphenol的工程师ChrisHeard对产品进行了仿真，其中包括了14个100W和2个150W的PCB板。Heard说：“这个项目很好的展现了在设计过程的初期如何进行热仿真，从而减少后期改动所造成的花费和缩短产品上市时间。”,设计挑战,32,网络设备供应商构思推出一个在性能方面大为提升的数据通讯产品。但这些性能的提升是以1.7kW高热耗率为代价的。这就使通讯中心产生严重的散热问题，因为在有限的空间内布置了很多设备并且要对风扇失效后能否继续工作进行论证。,网络设备供应商要求连接器供应商AmphenolTCS在概念设计阶段进行热仿真，从而验证新设备的可行性。Amphenol使用了一款内部开发名为ChassisThermalAnalyzer的阻力仿真工具来分析机柜内的空气流动。由于这个工具不考虑设备内详细的几何特征，所以很快就得到了仿真结果。Heard评估了大量的设计方案并且选择了一个似乎能良好工作的方案。这个阻力仿真工具告诉了Heard应该对机柜提供多少空气流量，但是没有就空气的温升和空气是否流经正确路径等方面提供任何的信息。,解决方法和优势,33,Heard使用Flotherm的enclosure来建立外壳。他使用Flotherm中的PCBSmartPart来建立PCB板，而不是建立PCB的所有几何特征。之所以使用PCBSmartPart来定义PCB板，主要是因为这个SmartPart可以通过输入参数来快速定义。同时使用这个SmartParts可以降低模型的复杂程度，从而减少仿真计算的时间。Heard说：“这个仿真结果证明新14U通讯产品所产生的热量可以成功的进行冷却，同时也可以满足NEBS的要求。网络设备制造商非常自信的开展了进一步的研发，因为他们知道散热问题不会延误整个项目的开发。当获得更多设计