PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!

相信不少工程师在产品研发过程中都会遇到因器件过热而影响板卡可靠性的问题,面对这种情况,散热器的设计就十分关键。如何通过优化散热器设计来提高芯片的散热性能,解决PCB板过热问题,这让很多工程师很是头疼。看完下面的案例后你会发现,其实散热器的优化设计其实很容易。

 

本文的研究对象为带两个散热器的CPIC卡板模型,目标是优化位号为U7(上游)和 U8(下游)的两个元件的散热器。三个案例的优化目标分别为:

 

■案例 1:使散热器质量最小,考虑其成本,越小越轻越好。

■案例 2:元件温度最低可以达到多少?

■案例 3:如何使元件之间的温差最小?如果工作在相同温度,电气功能会更好。

 

我们将利用如下环境参数进行PCB仿真。气流方向如图所示。

 

■海拔:海平面

■环境温度:55°C

■上游风速:400 ft/min

■槽间距:0.8 in

 

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图1

电路板布局如图所示, PCB定义如下:

■ 叠层:2S2P
■ PCB 尺寸:100 mm x 160 mm
■ PCB 厚度:1.6 mm
■ 总功率:22.5 W

 

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图2

U7(上游)和U8(下游)建模为2R精简热模型,与热设计相关的具体参数如下:

 

■ RJC:0.5°C/W

■ RJB:20°C/W

■ TIM:0.5°Cin2/W

 

结合优化目标及相关约束条件,分析如下三个案例:

 

■案例 1:使U7和U8散热器的质量最小,两个散热器完全相同,U8结温维持在100°C。

■案例 2:使U8结温最低。U7和U8散热器完全相同。

■案例 3:使U7和U8散热器的质量最小;两个散热器的外形结构相同,但鳍片长度不同;U8结温维持在100°C。此外,U7和U8结温之差以1°C为限。

 

实验设计

 

优化之前,我们利用 FloTHERM软件的CommandCenter 实验设计(DOE)选项创建50个要利用CFD进行分析的仿真模型。该研究使用如下输入参数:

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图3

DOE 中用到的其他约束包括:

1. 输入约束——散热器最大高度以15.5 mm为限(案例 1-3)。

2. 线性约束——当U7和U8散热器基板尺寸改变时,确保散热器始终以相应的元件为中心(案例 1-3)。

3. 线性约束——确保 U7 散热器的所有尺寸参数都与 U8 散热器相同,即这两个散热器完全相同(案例 1-2)。

4. 线性约束——确保 U7 散热器除鳍片高度外的所有其他尺寸参数都与 U8 散热器相同,即相同的外形结构(案例 3)。

 

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图4

上图显示了输入参数在案例1和2的设计空间上的分布。对案例3执行单独的DOE,U8和U7鳍片高度可以独立改变(下图)。

 

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图5

只从这些结果无法确定最优设计,但它指出了可实现的输出范围是多少。软件利用CFD分析50种设计,大约需要30分钟。

下一步需要进行响应面优化。

 

响应面优化

 

对DOE分析的50种设计案例中的每一种都执行响应面优化 (RSO)。RSO将响应面与数据拟合,通过数学计算来预测最优设计。执行RSO需要1-2分钟。对于此 cPCI 卡,每种RSO优化都应用如下输出约束:

 

■ 案例 1:最大允许U8 结温为 100 °C。

■ 案例 2:不应用输出约束。

■ 案例 3:最大允许U8结温为 100 °C。U7和U8之间的最大结温差为1 °C。

 

下面是考虑的每种优化案例的结果。表中同时列出了数学预测的最优结果和CFD仿真获得的实际结果以供比较,包括 RSO 预测最优结果的误差。

 

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图6

除了预测的最优设计点以外,RSO计算还会产生2D/2.5D和3D图。下面给出案例1对应的图形作为示例。

 

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图7

上图以2.5D图形式显示了不同鳍片高度时U8结温与鳍片数量的关系,所有其他参数都设置为 RSO 预测最优值。

 

下图以3D图形式显示了U8结温与基板长度和宽度的关系。这些图形对了解设计对不同输入的敏感度很有用。本例中我们看到,当基板长度超过35 mm时,再增加基板长度所获得的效果要比增加基板宽度差得多。

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图8

在本案例分析的结果中,U8的RSO预测结温为100°C,这是输出约束所用的值,但CFD结果显示结温达到102.6°C。为了满足这一约束,建议通过更多DOE仿真来进一步优化。

元王仿真云精彩教程免费观看:

Flotherm基础培训

Flotherm热管建模的方法

Flotherm热设计如何选取合适风扇

……

更多仿真分析案例及相关知识技巧,欢迎访问“元王仿真云”(www.featechweb.cn)——集仿真项目咨询,CAE学习培训,设计工具应用,仿真人才招聘、仿真新闻资讯于一体的CAE仿真行业垂直服务平台。服务仿真,助力设计,专业为你!

深圳市有限元科技有限公司(简称元王)成立于2007年,是一家以计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)为主业,以工程仿真软件开发为核心,集CAE咨询、CAE培训、CAE软件研发与销售为一体的高科技企业。 依托深厚的CAE技术背景和工程经验,为客户提供高水平的CAE工程咨询服务,为企业创造价值。联系方式13632683051(微信同号)

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的图9

PCB散热仿真热设计FLOTHERM散热仿真培训

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的评论1条

PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!的相关案例教程

PCB性能的很多方面是在详细设计期间确定的,例如:出于时序原因而让一条走线具有特定长度。元器件之间的温度差也会影响时序问题。PCB设计的热问题主要是在元器件(即芯片封装)选择和布局阶段 “锁定”。在这之后,如果发现元器件运行温度过高,只能采取补救措施。我们倡导从系统或整机层次开始的由上至下设计方法,以便了解电子设备的热环境,这对风冷电子设备非常重要。早期设计中关于气流均匀性的假设若在后期被证明无法
导读 作为一个业余的数码产品爱好者,前不久关注到小米发布了它自研的环形冷泵散热系统,充满着好奇看了下这个“面向未来的散热技术”。它本质上也是相变液冷技术,但克服了VC液冷的一些缺陷,这对搭载骁龙最新8系处理器的旗舰手机都是一个大福音,因为这个新技术提高了传统VC的传热能力,这也就进一步降低了了SoC到手机的导热热阻。 本文从小米公司未来散热技术说起,与热设计工程师、电子工程师和机械结构热工程师聊聊
如今电子产品及其相关产业正在追求小型化、集成化、高频高速率,电路板上的元器件功率越来越大,同时高密度封装和组装使得元器件的散热空间越来越小,导致热流密度急剧增高。因此作为元器件散热载体的电路板,需要详细分析其散热特性,保证产品的性能和可靠性。 由于电热效应相互影响,电路板上的走线、平面、过孔等产生的焦耳热会影响温度分布,而且如今的电子产品设计中电流越来越大,会进一步增加电热耦合的影响。反过来,温度
如今电子产品及其相关产业正在追求小型化、集成化、高频高速率,电路板上的元器件功率越来越大,同时高密度封装和组装使得元器件的散热空间越来越小,导致热流密度急剧增高。因此作为元器件散热载体的电路板,需要详细分析其散热特性,保证产品的性能和可靠性。 由于电热效应相互影响,电路板上的走线、平面、过孔等产生的焦耳热会影响温度分布,而且如今的电子产品设计中电流越来越大,会进一步增加电热耦合的影响。反过来,温度
现在但凡打开SoC原厂的PCB Layout Guide,都会提及到高速信号的走线的拐角角度问题,都会说高速信号不要以直角走线,要以45度角走线,并且会说走圆弧会比45度拐角更好。事实是不是这样?PCB走线角度该怎样设置,是走45度好还是走圆弧好?90度直角走线到底行不行?这是我经常看见广大 PCB Layout 拉线菌热议的话题。 大家开始纠结于pcb走线的拐角角度,也就是近十几二十年的事情。上
影响力
粉丝
内容
获赞
收藏
    项目客服
    培训客服
    1 0