搜索Teradici 利用ANSYS Icepak 優(yōu)化外殼散熱，改善PCoIP 零客戶端設(shè)計(jì)
2017-06-06 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
公司員工需要訪問數(shù)據(jù)和軟件,不過臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦并非唯一選擇,還可使用PCoIP® 零客戶端(zero client) 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程桌面訪問。零客戶端是一種不帶通用CPU、本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、應(yīng)用操作系統(tǒng)和散熱風(fēng)扇的簡(jiǎn)易硬件設(shè)備,也就是說是一種具有超高安全性且易于管理和部署的客戶端,適合用于虛擬桌面和遠(yuǎn)程工作站環(huán)境。
開發(fā)PCoIP 協(xié)議的Teradici 公司提供的PCoIP 零客戶端能為用戶帶來豐富的計(jì)算體驗(yàn)。這些零客戶端的生態(tài)足跡小,產(chǎn)生的熱量很少,消耗功率相對(duì)較低。通過IP 網(wǎng)絡(luò),無論是距托管在數(shù)據(jù)中心中的虛擬桌面或高性能遠(yuǎn)程工作站只有幾步之遙,還是身在世界各地,都能輕松訪問。
PCoIP 零客戶端結(jié)構(gòu)緊湊,同時(shí)內(nèi)部溫度必須保持在有效工作范圍內(nèi)。零客戶端通常會(huì)靠近用戶,因此外殼溫度摸上去不能讓人感到不適。Teradici 的工程師使用ANSYS Icepak 來評(píng)估并優(yōu)化了散熱過程,使溫度保持在允許的安全范圍內(nèi)。
熱建模問題
為了將PCoIP 處理器的溫度保持在所要求的工作范圍內(nèi),零客戶端內(nèi)部溫度不得超過100℃ (212℉)。此外其外部溫度應(yīng)低于45℃ (113℉),以免摸上去感覺不適。
憑借豐富的半導(dǎo)體和硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),Teradici 在采納了客戶的反饋后,計(jì)劃對(duì)使用較小外殼的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)研。了解到散熱是關(guān)鍵因素,因此工程師轉(zhuǎn)而采用ANSYS 軟件。
為實(shí)現(xiàn)可靠的散熱水平,比較常見的方式是在設(shè)備上安放散熱片,并使用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣流動(dòng)。不過自然對(duì)流冷卻比強(qiáng)制通風(fēng)要更好,因?yàn)檫@樣無需使用風(fēng)扇而且能確保靜音運(yùn)行。ANSYS Icepak 可為電子設(shè)備提供基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 的可靠散熱管理功能,因此,可利用該軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行熱建模,以研究各種外殼設(shè)計(jì)方案。建模內(nèi)容包括采用MCM 倒裝焊接技術(shù)的硅芯片封裝基板、印刷電路板(PCB),采用了不同尺寸、通風(fēng)和方向的不同外殼設(shè)計(jì)方案,以及不同的內(nèi)部熱源。
在ANSYS Icepak 中建模的PCoIP 零客戶端PCB 銅線跡,基板上裸片作為熱源,有兩個(gè)DRAM器件、一個(gè)閃存器件和一個(gè)音頻編解碼器。
導(dǎo)入模型
Teradici 工程師使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)封裝設(shè)計(jì)工具生成基板設(shè)計(jì),并使用ALinks for EDA 將設(shè)計(jì)導(dǎo)入Icepak?？蓪⒌寡b芯片設(shè)計(jì)看作是微型八層PCB。Icepak分析基板中復(fù)雜的銅線跡。裸片產(chǎn)生的熱量通過銅線跡傳遞到封裝焊球,然后再經(jīng)焊球傳遞到主PCB。
工程師還可將PCB 設(shè)計(jì)導(dǎo)入Icepak。類似于基板設(shè)計(jì),開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用Icepak 分析六層PCB 的銅線跡。由于時(shí)間限制,未對(duì)模型中的焦耳熱進(jìn)行分析。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃以后利用ANSYS SIwave 仿真分析了電子封裝的功耗和信號(hào)完整性,進(jìn)而分析包含這一額外熱源在內(nèi)的PCB 電氣屬性。
利用協(xié)同仿真將電與熱物理學(xué)耦合,能提供更高的熱與功率/ 信號(hào)可靠性。
在ANSYS Icepak 中建模的PCoIP 零客戶端PCB 銅線跡,基板上裸片作為熱源,有兩個(gè)DRAM器件、一個(gè)閃存器件和一個(gè)音頻編解碼器。
外殼組件的簡(jiǎn)化網(wǎng)格
初始分析
帶封裝散熱器、無外殼的初始Icepak 自由空氣仿真
任何CFD 問題都需要將系統(tǒng)分解為一系列計(jì)算單元,該過程稱為網(wǎng)格剖分。選擇ANSYS Meshing 是關(guān)鍵,這樣就能盡量減少模型中計(jì)算單元的數(shù)量并且確保最快的分析速度。在產(chǎn)品的重要區(qū)域使用精細(xì)網(wǎng)格,以精確捕捉可影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵對(duì)流特性。將幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為立方體可進(jìn)一步減少計(jì)算單元數(shù)。
在執(zhí)行首次熱分析時(shí),可對(duì)PCB 上視為平面熱源的相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行功耗(單個(gè)組件產(chǎn)生的熱)估計(jì),或?qū)M件進(jìn)行功耗估計(jì)。主要熱源是中間的PCoIP 主處理器。
在一個(gè)較新的PCB 系統(tǒng)實(shí)例中,工程師為PCoIP 處理器組件添加了一個(gè)六層的鋁制散熱片。為PCB 加裝外殼勢(shì)必會(huì)增加裸片溫度,但是工程師需要使溫度維持在100 ℃ (212℉)以下。因此他們?cè)谕鈿ど显黾恿艘恍┩L(fēng)孔以改善空氣循環(huán),從而加強(qiáng)裸片及其它內(nèi)部組件的冷卻。不過這會(huì)在外殼上形成局部熱點(diǎn)。為確定最高效的通風(fēng)孔設(shè)計(jì),開發(fā)團(tuán)隊(duì)需要對(duì)各種外殼方案進(jìn)行仿真。
利用參數(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化
應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的多種不同參數(shù)和情況進(jìn)行建模,如格柵尺寸/ 布置、外殼厚度、外殼材料、PCB 與外殼間的空氣分離、器件源功率、氣流和環(huán)境溫度。Icepak 的參數(shù)化功能可以控制很多這樣的參數(shù),從而使多仿真任務(wù)的執(zhí)行變得簡(jiǎn)單。
電磁干擾(EMI) 也是設(shè)計(jì)外殼時(shí)需要考慮的問題。在理想情況下,整個(gè)設(shè)計(jì)(包括外部電氣連接)應(yīng)該密封在法拉第籠內(nèi),以最大程度減少EMI。不過,這樣無法在熱源與外界間提供散熱通道。工程師再次使用Icepak 的數(shù)化功能對(duì)散熱孔尺寸和位置進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。這樣便可運(yùn)行數(shù)百次設(shè)計(jì)情景仿真以生成可供后續(xù)分析用的數(shù)據(jù)。
ANSYS Icepak 參數(shù)化選項(xiàng)實(shí)例
驗(yàn)證實(shí)際結(jié)果
為了驗(yàn)證Icepak 模型的精確性,可對(duì)不同外殼原型進(jìn)行3D 打印,并利用熱成像儀測(cè)量PCB 上硅芯片以及外殼表面的熱點(diǎn)溫度。開發(fā)團(tuán)隊(duì)注意到連接零客戶端的線纜可將熱量從外殼散去,很好地起到散熱器的作用。直接連到PCB 的金屬連接器也提供了主要的外殼散熱途徑,有助于將目標(biāo)系統(tǒng)溫度保持在45℃ (113℉) 的最大表面溫度以下。
為了提高Icepak 模型的精確性,工程師創(chuàng)建了一個(gè)包含線纜以及連接器的簡(jiǎn)單模型以便與熱成像儀的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。針對(duì)簡(jiǎn)化外殼的Icepak 仿真重現(xiàn)了熱成像儀的結(jié)果。仿真與模型和功能系統(tǒng)的良好相關(guān)性使開發(fā)人員對(duì)建模有了足夠信心,也就無需再針對(duì)其他外殼重復(fù)快速原型設(shè)計(jì)工作。
覆蓋熱成像儀圖像的3D 打印外殼熱成像儀圖像
Icepak 溫度仿真顯示線纜的散熱以及PCB 上器件的熱點(diǎn)(機(jī)殼內(nèi)“R”和“A”開孔的下方)
熱對(duì)流形式
外殼內(nèi)部以及周圍的熱流詳細(xì)信息有助于通風(fēng)孔布置。應(yīng)利用水平和垂直布置的不同通風(fēng)孔設(shè)計(jì)方案對(duì)外殼仿真模型進(jìn)行測(cè)試。垂直布置方式所形成的對(duì)流冷卻和煙囪效應(yīng)說明適中的通風(fēng)孔就可實(shí)現(xiàn)可接受的外殼溫度。
外殼中間薄片區(qū)域的氣流矢量(左圖)和溫度圖(右圖)
總結(jié)
經(jīng)證明,ANSYS Icepak 及其參數(shù)化功能在確定零客戶端的不同設(shè)計(jì)方案時(shí)非常有用,包括用來實(shí)現(xiàn)器件溫度和外殼表面溫度最小化的最佳方法。Icepak 能對(duì)系統(tǒng)中的復(fù)雜熱流進(jìn)行成功建模,包括PCoIP 處理器(主要熱源)從裸片通過基板再到PCB 的熱傳遞,以及通過外殼的熱傳遞。仿真還有助于快速分析不同的外殼方向和通風(fēng)方案。
Teradici 認(rèn)識(shí)到了ANSYS 技術(shù)的優(yōu)勢(shì),有助于為PCoIP 零客戶端功能外殼設(shè)計(jì)制定出最佳實(shí)踐方法。在3D 打印模型與仿真結(jié)果之間建立良好的關(guān)聯(lián)為人們提供有利機(jī)會(huì),有助于設(shè)計(jì)出更小型更高效的設(shè)備外殼。
出處:tech.simwe.com
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