Icepak軍用機箱散熱解決方案

2017-06-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、項目的必要性

對于軍用電子設(shè)備,工作環(huán)境相當惡劣,因此通常采用密封機箱來解決這一問題,而密封與散熱則是一對矛盾,在設(shè)計時必須同時考慮內(nèi)部和外部的兩種熱設(shè)計方案,通過合理的熱設(shè)計,使其從內(nèi)部向外部的傳熱達到最佳狀態(tài),從而保證電子設(shè)備正常工作。

傳統(tǒng)的熱設(shè)計理論和方法于上世紀六、七十年代逐漸形成,受當時傳熱學(xué)和傳熱技術(shù)發(fā)展水平的限制,只能根據(jù)經(jīng)驗類比或利用由以物理相似理論為基礎(chǔ)的有限的準則換熱公式進行預(yù)先估計,并與實驗交替進行來完成整個產(chǎn)品的熱設(shè)計。這些方法的計算結(jié)果準確性較差,只能做一些簡單的定性分析,并且設(shè)計周期較長、材料浪費較多、研制成本較高,嚴重影響了電子產(chǎn)品的開發(fā)工作。近年來,隨著傳熱技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展,電子產(chǎn)品熱設(shè)計的方法也得到了不斷的改進。目前,以計算結(jié)構(gòu)力學(xué)、計算流體力學(xué)和計算傳熱學(xué)為基礎(chǔ)的一些新型電子產(chǎn)品熱設(shè)計技術(shù)在逐漸形成,電子設(shè)備熱設(shè)計技術(shù)作為一門新的學(xué)科已經(jīng)建立起來,一些學(xué)者和工程技術(shù)人員致力于這方面的研究工作,并獲得了一些初步的成果,在此基礎(chǔ)上人們針對以往那種先有產(chǎn)品后做熱設(shè)計的做法提出了一種新的熱設(shè)計思想,即前端熱設(shè)計。所謂前端熱設(shè)計是指在產(chǎn)品的預(yù)研和開發(fā)階段解決熱設(shè)計的基本問題,對熱設(shè)計的方案的可行性進行全面分析,對設(shè)計結(jié)果進行準確的預(yù)測,對熱設(shè)計方案進行分析和優(yōu)化。

前端熱設(shè)計要求需有可靠的仿真計算工具進行熱設(shè)計的前端分析,要求能夠得到準確的計算結(jié)果,并能將結(jié)果定量地生動地呈現(xiàn)出來。目前市面上的商用仿真軟件,從建模處理、網(wǎng)格劃分、求解計算和結(jié)果后處理綜合來看,ANSYS ICEPAK無疑是最佳的選擇。

二、項目背景

這里以一個全封閉、無風(fēng)扇機箱設(shè)備開發(fā)案例的熱設(shè)計過程來闡述ICEPAK在產(chǎn)品開發(fā)過程中的有效性和必要性

問題的關(guān)鍵就是在不增加系統(tǒng)溫升的情況下怎么處理系統(tǒng)散熱

總體方案:整個系統(tǒng)由三個艙組成,變壓器艙,主Power板艙,散熱片艙,三個艙相互隔開,以減少相互影響。

系統(tǒng)thermal模型圖如下圖所示:

三、分析過程

3.1 變壓器

在此種UPS中,變壓器是一個較大的功耗元器件,對系統(tǒng)的溫升的影響不可忽視,進而影響到其他功耗元器件得溫升。本項目中,通過分析機箱的三種不同設(shè)計,來觀察整體溫度場的變化情況。

1.變壓器與Power板用薄板隔開

上圖為加隔板前后整個溫度場分布情況,由圖可以看見,加隔板后,Power板側(cè)的元器件溫升都有所下降了10~20℃。

作用:將Power 板密閉,與外界隔絕;減小變壓器對Power板側(cè)的溫度影響;

2.變壓器鐵心四周加散熱片

加散熱片前,變壓器的最高溫度約為148℃。

加散熱片后,溫度降為110℃。

3.變壓器艙合適位置開孔

在變壓器一側(cè)開孔,氣流比較紊亂,無明顯的流場,變壓器的溫升也較高。

在變壓器側(cè)面兩側(cè)底部及其正上方頂部開孔,由圖可見,氣流從底部進入,頂部流出,帶走變壓器的熱量,變壓器的溫升較前有所改善。

3.2 Inverter電路中的Mosfet的散熱片外掛

負載1000va,700w。3w/pcs Mosfet,共用20pcs的結(jié)果如下:

散熱片規(guī)格為:97×280×40mm3,此款散熱片用在2000va,1400w時,4.9w/pcs Mosfet。溫度分布如下圖所示:

溫升較高,當散熱片改為:110×380×40 mm3(2000VA,1400w),溫升如圖所示:

其它措施:選用開關(guān)時間更短的Mosfet,降低本身功耗

3.3濾波電容,晶振溫升解決

layout時的電容位置盡量分開

2.在晶振上加小散熱片

下圖為加散熱片前后溫度分布對比圖:

四、實驗驗證

實驗驗證仿真結(jié)果所給出的技術(shù)方案:

試驗溫升數(shù)據(jù)(放電11小時,取最大值),單位:℃

coil	core	Mos1	Mos2	Mos3	Mos4	CPU	Cap1	Cap2	晶振
134.5	110.7	60.9	65.5	74.4	74.3	52.8	88.6	84.8	58.6

五、結(jié)論

經(jīng)過以上動作后,除了改PCB板以便安裝散熱片外,此種設(shè)備的散熱問題完全可以解決。

通過以上實例,我們能看到熱分析軟件在產(chǎn)品開發(fā)、優(yōu)化中的巨大使用價值。利用ICEPAK的仿真能力,我們能在產(chǎn)品開發(fā)的初始階段,尋找最佳的散熱布局,優(yōu)化器件的選型,減少乃至消滅設(shè)計失誤,減少設(shè)計的反復(fù),減少試驗樣機的打樣數(shù)量。最終減少了時間和成本需求,提高了設(shè)計效率。

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