電子產(chǎn)品如手機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能手表、電動汽車電子控制單元等產(chǎn)品的尺寸變小，功能增多，導(dǎo)致熱耗增大，從而作為產(chǎn)品電子產(chǎn)品機(jī)械部件的殼體設(shè)計(jì)越來越重要。不管是開口殼體還是封閉殼體，電子產(chǎn)品的熱量都需要經(jīng)過殼體散發(fā)到環(huán)境空氣中。
如圖1所示，1U服務(wù)器布置非常緊湊，殼體內(nèi)空氣流動復(fù)雜，因此優(yōu)化殼體內(nèi)空氣流動，確保關(guān)鍵芯片有足夠冷空氣冷卻；殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須符合產(chǎn)品熱管理要求。
圖1 Simcenter FloTHERM 仿真分析1U服務(wù)器殼體內(nèi)空氣流動
西門子工業(yè)軟件Simcenter FloTHERM和Simcenter FloTHERMXT可以在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，利用“Enclosure”智能部件優(yōu)化殼體大小、開孔、風(fēng)扇布置、PCBA在殼體中安裝與布局，從而優(yōu)化空氣流動，確保產(chǎn)品熱可靠性。對于詳細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的殼體，可以通過Simcenter FloTHERM的FloMCAD Bridge 導(dǎo)入到Simcenter FloTHERM中做優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可以在Simcenter FloTHERM XT中通過機(jī)械參數(shù)尺寸優(yōu)化殼體設(shè)計(jì)。在客戶案列基礎(chǔ)上，本文給出殼體設(shè)計(jì)需要考慮的一些因素，供熱設(shè)計(jì)工程師參考。
第一考慮點(diǎn)：殼體設(shè)計(jì)中，需要確保關(guān)鍵芯片散熱有足夠空氣流道。電子產(chǎn)品各種接頭，數(shù)據(jù)線可能會占用空氣流道，從而增加空氣阻力，風(fēng)扇工作點(diǎn)向壓力大處偏移，導(dǎo)致流量變小而芯片節(jié)溫偏高；自然對流、封閉殼體的電子產(chǎn)品中的連接器可能會導(dǎo)致殼體中空氣回流，如果熱空氣回流點(diǎn)出現(xiàn)在主要芯片處，就會導(dǎo)致產(chǎn)品失效。因此在機(jī)械殼體設(shè)計(jì)中，不僅需要考慮高功耗芯片，也需要考慮產(chǎn)品連接器，數(shù)據(jù)線（如圖2所示）對空氣流動的影響。
圖2 電腦中數(shù)據(jù)連接線
第二考慮點(diǎn)：選擇合適風(fēng)扇安裝在殼體上合適位置。
圖3 風(fēng)扇類型從左到右：軸流風(fēng)扇、徑流風(fēng)扇、離心風(fēng)扇
圖4 軸流風(fēng)扇，徑流風(fēng)扇以及混流風(fēng)扇的標(biāo)準(zhǔn)化P-Q曲線
不同類型的風(fēng)扇外形如圖3所示，P-Q曲線如圖4所示。徑向風(fēng)扇通常會產(chǎn)生高壓力而流量低，軸流風(fēng)扇流量高而壓力低；如何選擇風(fēng)扇，主要依據(jù)是控制芯片節(jié)溫需要的風(fēng)量，滿足風(fēng)量條件下，為設(shè)計(jì)余量，如果外殼有安裝空間，工程師通常會選擇大風(fēng)扇，大風(fēng)扇出風(fēng)大，工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速慢，噪音小；大風(fēng)扇成本高，風(fēng)扇電磁兼容EMC問題很難解決，電子產(chǎn)品小型化，迫使工程師選擇更小更便宜的風(fēng)扇，如此風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高，噪音大，風(fēng)量也會少。
第三考慮點(diǎn)：強(qiáng)制對流電子產(chǎn)品，風(fēng)扇對殼體來說是抽風(fēng)還是送風(fēng)。從系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)時，首先需要考慮風(fēng)扇送風(fēng)進(jìn)外殼還是風(fēng)扇從外殼抽風(fēng)，送風(fēng)系統(tǒng)在外殼內(nèi)產(chǎn)生正壓，各個PCBA板，連接器都是阻力部件，風(fēng)扇布置和各個PCBA插槽板間距與布置需要優(yōu)化才能保證空氣合理均勻分配；目前筆記本電腦采用送風(fēng)。復(fù)雜的電子產(chǎn)品，為保證流量，通常安裝內(nèi)部風(fēng)扇，送風(fēng)風(fēng)扇與抽風(fēng)風(fēng)扇組合應(yīng)用。抽風(fēng)系統(tǒng)在外殼內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，會有環(huán)境空氣漏入系統(tǒng)而大固體顆粒會被入風(fēng)口濾網(wǎng)過濾掉，抽風(fēng)系統(tǒng)流動會更加均勻。在殼體詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，一定要考慮風(fēng)扇在殼體上的安裝，確保減少高速風(fēng)扇因機(jī)械振動而產(chǎn)生的噪音。
第四考慮點(diǎn)：利用導(dǎo)流板讓殼體內(nèi)風(fēng)速均勻，減少環(huán)流。導(dǎo)流板通常放在送風(fēng)風(fēng)扇后面，導(dǎo)流板加入會導(dǎo)致送風(fēng)系統(tǒng)阻力增加，流量減少；導(dǎo)流板產(chǎn)生阻力越大，流動越均勻，如圖5所示。
圖5 Simcenter FloTHERM XT中利用導(dǎo)流板分配流量
如圖6所示，風(fēng)扇托盤安裝同類型的軸流風(fēng)扇，因軸流風(fēng)扇送風(fēng)速度高時有“噴射”效應(yīng)，軸流風(fēng)扇會產(chǎn)生非軸流速度；風(fēng)扇流量越高，軸流風(fēng)扇越容易產(chǎn)生徑向速度，為確保風(fēng)扇托盤后空氣流量均勻，流向一致，通常需要考慮加導(dǎo)流板。
風(fēng)扇流速大產(chǎn)生徑向速度，出口形成渦流，有效散熱空氣減少，建議加導(dǎo)流板
圖6 Simcenter FloTHERM中軸流風(fēng)扇并列送風(fēng)流動不一致示意
圖7 具有EMC阻隔功能的外殼蜂窩通風(fēng)孔
第五考慮點(diǎn)：優(yōu)化設(shè)計(jì)殼體通風(fēng)孔尺寸。不管抽風(fēng)還是送風(fēng)散熱，空氣都需要經(jīng)過殼體通風(fēng)孔，不同尺寸與布局通風(fēng)孔會產(chǎn)生不同壓力損失和空氣流動速度。抽風(fēng)系統(tǒng)可能會在入風(fēng)口處因系統(tǒng)與殼體通風(fēng)孔設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致入口速度大而回流，從而增大壓力損失，減低流量而產(chǎn)生產(chǎn)品局部“過熱點(diǎn)”。殼體開孔會產(chǎn)生電磁干擾EMC問題。如圖7所示。利用鋁合金薄板成型的殼體開蜂窩通風(fēng)孔，開孔率達(dá)95%，同時開孔鋁板具有EMC屏蔽功能，然而開孔直徑過小導(dǎo)致空氣流過微小孔壓力損失太大，需要用大風(fēng)扇，增加成本。
第六考慮點(diǎn)：優(yōu)化風(fēng)扇和通風(fēng)孔在外殼上放置位置與大小。
第七考慮點(diǎn)：優(yōu)化PCBA在殼體中的放置，如圖8所示，PCBA在外殼體內(nèi)不同位置，導(dǎo)致熱源位不同；熱空氣上浮，冷空氣進(jìn)入殼體內(nèi)，從而流動形態(tài)和速度有差別，散熱效果不同。
圖8 路由器PCBA在外殼中放置位置影響散熱效果
第八考慮點(diǎn)：充分利用殼體導(dǎo)熱。對于殼體完全封閉的電子產(chǎn)品，熱源熱量直接通過傳導(dǎo)進(jìn)入殼體，殼體導(dǎo)熱均溫，殼體與環(huán)境自然對流導(dǎo)出產(chǎn)品熱量達(dá)到散熱效果，如圖9所示的智能手機(jī)產(chǎn)品。
圖9 Simcenter FloTHERM XT中智能手機(jī)熱分析效果
第九考慮點(diǎn)：殼體內(nèi)表面增加熱擴(kuò)散功能。在PCBA與殼體直接接觸時，利用金屬PCBA板；平板熱管連接殼體與熱源；殼體內(nèi)部利用石墨薄片均溫等。
第十考慮點(diǎn)：是否可以用相變材料減少熱沖擊。如圖9所示，對于快充設(shè)備，相變材料可降低產(chǎn)品殼體溫度。
圖10 Simcenter FloTHERM中相變換熱仿真
第十一考慮點(diǎn)：殼體自然對流電子產(chǎn)品，務(wù)必增加輻射換熱。
第十二考慮點(diǎn)：殼體機(jī)械設(shè)計(jì)MCAD與電路板EDA設(shè)計(jì)協(xié)同進(jìn)行。Simcenter FloTHERM XT提供產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段協(xié)同優(yōu)化殼體機(jī)械設(shè)計(jì)與EDA芯片布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品熱可靠性。
總結(jié)：西門子工業(yè)軟件Simcenter FloTHERM& Simcenter FloTHERM XT 提供電子產(chǎn)品殼體熱設(shè)計(jì)工具平臺，讓熱設(shè)計(jì)智能化，如利用外殼溫度反饋控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到散熱效果，Simcenter FloTHERM中都能實(shí)現(xiàn)。再比如Simcenter FloTHERM中“controller”可根據(jù)芯片溫度選擇發(fā)熱功率和使用頻率，從而讓熱仿真智能化。
本文來源:Mentor機(jī)械分析，作者:周志雄
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