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PCB散热器优化很难吗?这样做就很容易!

有限元: 2020-06-29 11:00:14 阅读数: 54 分享到:

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

 


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

 


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:



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)。

 


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)。

 


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。

 


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。

 


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。



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。


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