热分析工程师必看热分析思路流程

如果遵从热设计的基本原则进行设计，通过热设计之后的电子系统性能更加好、可靠性更高，并且使用寿命更长。

作者：

ByronBlackmore,MentorGraphicsCorp.MechanicalAnalysis部门FloTHERM.PCB产品经理，在加拿大TechnicalUniversityofNovaScotia获得机械工程学士学会，在加拿大UniversityofAlberta获得传热工程硕士学位。

RobinBornoff,MentorGraphicsCorp.MechanicalAnalysis部门FloTHERM和FloVENT产品市场经理，1992年在英国BrunelUniversity获得机械工程学士学位，并于1995年继续攻读了该校计算流体力学博士学位。个人博客：/robinbornoff/

JohnParry,MentorGraphicsCorp.MechanicalAnalysis部门研发经理，他在英国UniversityofLeeds获取化学工程一级荣誉学士学位，之后在英国BirminghamUniversity获取博士学位。个人博客：/johnparry/

热设计方面有两条基本原则：尽早尽简。由元件结点至环境的热流通路（译注：也称热阻）决定了元件的温度，其中环境普通是指局部环境的空气温度。因此元件温度的控制属于系统设计层面的问题。在产品热设计过程中工程师应采用自上而下的办法来提高产品的可靠性(见下表)。

手工计算

热交换过程广泛地存在于管内自然或强迫对流流动、气体外掠平板等其它现象中。由于热交换的计算关联式很难给出比较精确的计算成果，并且使用时候很容易出现错误，因此普通状况下我们建议使用某些经验的数据1。

一块0.2m水平放置的平板，在自然对流状况下其与空气的对流换热系数大概为5Wm-2K，在空气流速3ms-1强迫对流状况下其与空气的对流换热系数大概为15Wm-2K。为了考虑辐射换热的影响，我们建议自然对流的对流换热系数能够认为是10Wm-2K，强迫对流的对流换热系数能够是10~20Wm-2K。

首先，对于密闭的系统而言我们需要计算系统内的空气温度，对于强迫对流的系统而言能够假设进出口的温升为10~15°C，由此计算出强迫对流系统所需的空气流量。另首先，计算所得的空气温度能够用于PCB板温度的计算。最后，通过类似Rjc等元件热阻计算元件的结温。

对于简朴的系统，元件结点至环境的热阻能够认为是元件至PCB板、PCB板至内部空气、内部空气至环境的三部分热阻之和。对于复杂的系统而言，元件结点至环境的热阻需要采用热阻网络模型，这需要比较丰富的经验，能够对热阻网络模做出某些假设，并且计算对应的热阻值。

热交换过程普通都是三维的，因此手工计算或经验数据都有很大局限性。事实上由于热源分布和气流流动地不均匀性，PCB板上的温度并不同。因此，手工计算和经验数据最大的缺点是无法对系统散热性能的改善提供协助。

计算流体力学

我们建议采用自上而下的办法，在设计的早期阶段建立整个系统简朴的计算流体动力学模型(CFD)：

通过三维动态粒子流和可视化温度平面能够提供系统散热性能方面的信息

在设计周期的早期探讨不同的散热方案

将其作为设计发展过程中整合信息的平台

随着热仿真模型的细化，增强设计的可行性

概念设计

概念设计阶段的时间非常短，有时仅需几天时间。CFD软件也必须转换角色，在很短的时间内进行建模和获取仿真成果。CFD软件将系统剖分成诸多网格，并在这些网格控制体内计算流动和热交换的基本方程。每一种网格都含有对应的温度、空气流速和压力值。

要使CFD工具在概念设计中起作用，其网格必须100%可靠，并且不需要顾客个人控制网格质量和密度。这种趋势造成那些使用自动网格技术的通用CFD工具在电子散热软件领域无所作为。

这个阶段的设计重点是分析热量从系统中去除的基本原理。对于空气冷却的电子产品而言，这个阶段的目的是预计系统所需的空气流量。那么，模型应当包含哪些元件呢？

首先是采用一种简朴的箱体来描述电子产品的外壳，其中通风孔采用2维的简化模型来描述。二维简化模型的特性应由通风孔的开孔率和损失系数所拟定。专业的电子散热CFD软件应含有定义通风孔直径、角度以及分布的功效。

另外，产品内部的EMC屏蔽网也应考虑在内。在某些状况下强迫风冷系统中自然对流也会影响空气流动，因此在这些系统中需要涉及浮升力的影响。另外，考虑浮升力的影响不应延长热仿真所需的时间。

鉴于轴流电扇的成本比较低，因此在强迫风冷的设备中普遍都是用这类电扇。由于在概念设计阶段重要关注的是电扇的性能与否达成规定，因此一种二维形状的轴流电扇足以满足规定。但值得注意的是，电扇最少设立为线性特性曲线，而非固定流量。

普通而言，电子产品建议采用抽风的方式，由于这样能够在系统内产生比较均匀的气流。抽风的弊端是电扇的工作温度比较高，影响电扇的寿命。

对生产商而言，使用便宜、小体积的电扇是非常具诱惑力的。但这普通不是一种好的选择，由于电扇工作在它的最大流量附近，此时噪音更大，并且电扇可靠性也下降。相反，应使用最大流量比系统散热所需空气流量大两至三倍的电扇，并且减少风机转速。

设计师应考虑电子产品中一切导热的元件，涉及电子产品的外壳。PCB板能够采用一种各向同性的导热块来描述，其热导率根据PCB含铜量来拟定，约为5~10Wm-1K-1。同时拟定全部PCB板的散热量之和应等于系统的总热设计功耗。整个建模过程应在一种小时内完毕，并且以更少的时间完毕求解。

尽管热仿真成果是近似值，但仿真成果可支持先期的手工计算，并提供系统级气流状况的有关信息。使用元件?JB热阻值能够预计元件的温升。

模块化设计

热仿真能够进行模块化设计，这些模块化设计能够是协助拟定PCB和夹层板或元件之间气流变化的影响。

在拟定产品框架构造之前，尝试可行的散热方式能够大幅的减少产品的散热成本，并且进一步理解产品的散热机理。尽管这一阶段的热设计工作都是推测性的，但是这一阶段的工作相称重要。

最优散热方式取决于系统的特点。因此，热设计工程师的职责非常清晰：在构造设计完毕前尽量可能多的尝试不同的散热方案，确保尽早选用最优方案。

系统温度似乎过高并不一定意味着系统需要安装风机。可能尚有更加好的解决办法，例如为一种或者多个元件添加散热器，或者在外壳和元件之间添加导热填充材料，使外壳含有散热器的作用。热设计工程师的工作是拟定允许的元件温升，并为元件温升提供足够安全的余量。

在构造设计阶段，细化诸如PCB和元件等仿真模型中有明显温升的地方(Fig.1)，方便进行精确地求解。随着构造设计的推动，需要对元件的热功耗和所需的散热器进行估算。

最简朴的元件建模办法是采用一种含有热导率的块来描述高功耗、高功率密度和对温度敏感的原件。对于塑料封装的原件，块的热导率约为5Wm-1K-1。对于陶瓷封装的元件，块的热导率约为15Wm-1K-1。能够将某些已知热功耗但并不重要的元件作为平面热源，它们所产生的热量将直接进入PCB。

在构造布局完毕之前很难获得元件的位置，但设计工程师最佳猜想哪一种布局会首先得到尝试。“What-if”分析将在后期的工作中节省热分析工程师和电子工程师的时间。另外，能够讨论某些诸如PCB板与否需要隔离等重要信息。

将工作频率较快的元件放置在一起，甚至在某些状况下将这类元件放置在PCB板的两侧，从而避免出现时序问题。不幸的是，这类工作频率较快的元件产生的热功耗很大。因此，如果不进行有关的热设计工作可能带来灾难性的后果。譬如将过热元件置于来流通过的位置，这些微小地改动往往会带来良好的散热效果。

特别是在高功率密度的系统中，将多个元件的主轴与气流的主导方向成始终线是个不错的选择。由于它增加了流经PCB板的空气流量，并且减少了元件上方气流的旁通，从而增强了散热性能。

热设计中最大的挑战之一是获得元件对的的热功耗值。许多元件是持续工作的，因此正常工作状况下的平均功耗是我们所关心地，而非元件的名义或最大额定功耗。

热设计工程师、构造工程师和电子工程师之间互相交流散热有关的设计数据，并互相告知设计更新后的成果，这是公司热设计流程成熟的一种标志。随着设计不停推动，须不停和重复检查预测元件的功率，由于它们可能与原始值存在较大差别。

散热器扩大了元件和空气间的面积，但重要的一点是面积也不能过大。最佳的办法是选用成本最低的散热器，并且使元件温度低于额定设计值，同时包含一定的余量。更多的散热器翅片能够提供更多的散热表面积，但过多的散热器翅片也可能减少有效的散热面积。由于这可能增加流阻，造成气流旁通散热器，而不是流过散热器。

这一阶段应避免不切实际的想象。如果元件上方的气流流向重要是一种方向，使用与气流平行的平直型铝挤散热器。如果不是，或许机箱内存在能够提高气流流速的区域。如果气流与元件呈一定角度或者冲击元件，能够使用针状散热器。

涉及电扇选择在内的其它方面的模型细化也应进行。专业电子散热的CFD软件含有电扇降额或自动计算电扇低速旋转的功效。这类软件普通都含有一种电扇电子库，并且能够直接将电扇模型拖入至仿真模型中。另外，电扇还能够含有串联或交替工作的功效。

具体设计阶段

构造设计完毕之后意味着整个系统设计已经拟定。但对于热设计而言尚有两大工作需要完毕。首先是细化产品外壳模型，涉及全部的电扇和通风口；另首先是细化模型中的PCB和元件。对模型的细化工作将提高热仿真成果的精确性。

产品的热性能可能千差万别，设计所采用的热流途径也有多个选择，例如能够将元件热量导向PCB板进行散热或者将热量导向散热器进行散热。封装选择很大程度上取决于电子产品的性能和成本。如果将散热成本计入总成本的话，原料最便宜的封装方案可能成为总成本最高的方案。因此我们应当在封装材料选择过程中考虑热性能。

在热仿真早期采用块模型描述元件，这是非常粗糙的一种办法，所得到的元件结温也不够精确。与元件封装形式的选择相类似，元件的热仿真模型也最少更新为双热阻简化模型2。这将更为精确的预测元件的结温，双热阻模型由结点至上表面外壳热阻和结点至PCB热阻构成，固然能获取Delphi简化模型话最为抱负3。

供应商提供Delphi模型的可能性很小。幸运的是，一种基于网络的工具能让系统设计者通过芯片封装外形尺寸创立多个芯片的双热阻模型和Delphi简约热模型4。如果供应商无法提供其它有关信息，但只要清晰芯片的尺寸同样能够进一步提高模型的精确性。另外，也能够创立内部含有具体构造的封装模型。

在PCB布局完毕之前应拟定散热器设计方案。如果散热器底部尺寸不不大于元件尺寸，则应在PCB上方余留一定空间。散热器会加大系统内空气流阻，由于流经散热器后方元件的空气流量变小，因此位于散热器后方的元件很可能温度会升高。因此，布局可能需要做某些调节。

散热器成本与其重量有很大关系。因而，便宜就意味着轻，从可靠性的角度来看这也是所但愿的。重的散热器对元件产生更大的应力，并且需要在PCB上增加扣件。某些专业的电子散热CFD软件含有强大的网格技术，能够自动优化散热器的设计，最小化重量以达成指定的目的温度5。如果散热器表面积以最小程度扩大，可能热传导良好的塑料材质散热器就能够达成散热的需求。

在PCB布局结束之前，热设计应达成完全有信心将元件的温度控制在额定值之下。另外，任何使用到散热器的元件，其使用的散热器也应完毕优化设计。普通，在安排接下来的工作之前，我们都是盼望PCB板的设计已圆满完毕。

PCB板的仿真模型能够进一步的细化，每一层的含铜量（例如，信号层含铜量20%，电源层和接地层为90%）并将这些含铜量分别在模型中进行设立，能够提高PCB的仿真成果精度。如果PCB的走线已经完毕，从EDA接口中导入具体的走线信息，能够进一步地提高热仿真成果精度。这能够考虑每一层铜的分布以及各层之间的热过孔。

fig_02.gif(40.82KB)系统模拟

在建立第一种样机之前，普通都会进行一种专门的、高度具体的热验证仿真(Fig.3)。如果在设计的早期就考虑了散热热问题，那么最后的验证将是建立样机之前的一种流程而已。可能，在早期考虑散热问题已成为一种成熟热设计流程的标志。

含有完善热设计流程的公司能将热设计贯穿于项目的整个研发过程中，并在概念设计阶段就考虑到了散热问题。公司也能汲取大量的经验教训。应用这些经验能够提高产品的性能，同时也能够优化元件热仿真模型，并且找到进一步改善热设计流程的办法。

参考文献

1.“Senseandnonsenseofheattransfercorrelationsappliedtoelectronicscooling,”Lasance,C.J.M.,Proceedingsofthe6thEuroSimEConference,18-20April,pp.8-16

2.“Two-ResistorCompactThermalModelGuideline,”.org/download/search/JESD15-3.pdf

3.“DELPHICompactThermalModelGuideline,”