关键词：FloTHERM 适配器 热仿真 温度场
1引言
随着电子技术的不断发展，大功率器件发热功耗越来越大，而体积在不断的缩小，热流密度不断增加[1]。这种高集成、智能、便携的产品必然导致产品的功耗的急剧增加。美国空军航空电子完整计划曾对电子产品的失效原因做过统计，结果发现由于温度过高而导致的失效占所有故障原因的55%[2]。因此，采用有效的散热设计可以控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在工作环境下不超过稳定运行时标准或规范所规定的最高温度。而借助热仿真分析软件则有利于提高产品热设计效率及准确性。
2FloTHERM软件介绍
该软件采用成熟的CFD（Computational Fluid Dynamics）计算流体动力学和数值传热学仿真技术开发的[3]。是基于有限单元法，将原来在时间域和空间域上连续的物理量场，用一些了有限个离散点上的变量值的几何来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
3产品热设计方案确定
根据需求，产品在25℃环境温度下能满载可靠运行时器件温升小于55℃，外壳温升小于30℃。经过测算，该适配器表面热流密度达到0.035W/cm2，采用自然散热。
3.1初始设计散热模拟
3.1.1热设计输入
经过前期的初步评估及PCB布板，建立了初始的产品信息，其主要发热器件为：芯片1（内置MOS）、芯片2（内置MOS）、二极管、电阻、变压器、保险丝电阻。初始设计阶段采用直接自然散热，内部不增加额外的散热设施，通过仿真分析来确定最终的散热方案。
3.1.2初始仿真分析
仿真的环境温度设置为25℃，产品外表面为PC塑料（表面辐射率设置为0.85），仅考虑传热和辐射，由此确定了求解条件。
根据FloTHERM仿真要求，对该产品建模、划分网格、设置参数及求解域后进行仿真计算。软件求解收敛后，各部分温度分布如图1所示。
图1（a）、（b）为适配器内部器件温度分布云图；图1（c）为外壳温度分布云图。通过仿真数据可以明显看出，外壳最高温升为：38.8℃，器件最高温升为89℃。无论器件温升还是外壳温升均超出了给定的温升要求，需要进一步对散热方案进行优化，针对大功耗器件进行散热。
3.1.3热设计优化
从初始仿真可以看出，现有方案的散热路径主要为：器件节点-器件外壳-壳内空气-外壳-周围环境。该传热路径太长，想要更好的散热，一种有效的方式则是缩短器件的散热路径，将器件外壳的热量直接传导至设备外壳，这样一来省却了中间空气介质的传热，从而能大大提高传热效率。根据以上分析，需对模型进行优化设计，在发热器件与外壳之间增加散热板，该措施能有效的将器件的温度传递至外壳，由外壳辐射至周围环境中。
优化后，在器件和散热板之间使用导热硅胶垫和硅脂作为界面材料，以使得热量更好的传递至散热板，降低传热热阻。
按前述设置要求进行软件求解，并分析其仿真结果。图2（a）、（b）是优化后设备内部温度分布云图，图2（c）是优化后外壳温度分布云图。
通过仿真，产品外壳温升为29.2℃，温升满足设计要求；主要功耗器件温度如表1所示。
从表1可以看出，该适配器在环境温度25℃条件下，器件温升均小于55℃，满足设计输入要求。至此，热设计方案确定，后期按照该方案进行样品测试验证。
4样机测试
通过前期的仿真分析，在适配器内部增加马口铁散热片，散热片与器件之间采用导热垫片作为界面材料，能有效的降低器件到外壳之间的传热热阻，从而降低器件的温度。
热设计方案确定之后，为了验证仿真的准确性，需要制作实体样机进行测试。适配器接入220V交流插座，经过实际测试，外壳温升为28.4℃。外壳温度分布如图4所示。
表2为主要功耗器件的实测温度情况。从器件实测温升情况来看，温升均小于55℃，满足设计要求。与仿真温升对比，两者的差异约为8%，偏差在可接受范围内。
5结论
根据热仿真计算结果及样机实测可以看出，该适配器的散热途径能满足使用要求。大功耗的器件均通过导热界面材料与内部散热片进行接触，降低传热热阻，将器件的热量有效的分散在整个散热板上。
利用FloTHERM热仿真软件能得到直观的温度分布云图。根据结果可以提早发现产品的热点从而进行调整，为器件的布局、散热器设计提供了依据。同时，通过仿真分析与实际样机测试结果的对比分析，FloTHERM仿真软件在产品热仿真领域具有较高的可靠度。在产品的开发过程中降低产品设计成本，缩短研发周期，为产品的上市赢得时间。
参考文献
[1] 余建祖，电子设备热设计及分析技术（第2版）[M]；北京航空航天大学出版社，2008
[2] AVIP U S.Air Force Avionics Integrity Program[J].Note,1989.
[3] 徐晓婷，主敏波，杨艳妮.电子设备热仿真分析及软件应用[J].电子工艺技术，2006，27(5):265-268.
论文作者:哈建文,张安国,邓芳,李承隆
论文发表刊物:《科学与技术》2019年14期
论文发表时间:2019/12/5
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