使用 ANSYS Workbench對電源模塊進行多物理場模擬計算

安世亞太

2019年11月20日 16:27

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在較短的研發周期內，對復雜的電子產品進行設計，將ANSYS Workbench運用到產品研發中，不失為一種高效的方法。

在快節奏的消費電子產品市場上，企業面臨著壓力，要求縮短研發周期，提高產品的可靠性，快速上架并熱賣。在增加產品復雜性的同時，研發周期大大縮短，一個行之有效的方法就是引入CAE仿真軟件。

引入分析工具，設計工程師能夠生成物理模型的虛擬結構，基于產品所處于的真實物理環境，對其進行CAE分析計算。引入分析工具可以使產品的復雜性得以提前驗證，同時也縮短設計周期。這比傳統上試錯原型的方法要快得多。

當前，很多機構已經對各類工程學科采用了模擬過程。傳統上，工程師分別使用流體、熱、結構或電子分析工具來設計產品的特定方面。然而不同物理場的隔離、斷開，工程師們無法考慮到產品所有的設計可能會對其他學科或整個系統造成的影響。

ANSYS軟件的功能使工程師能夠深入了解特定的多物理現象以及它們之間的相互關系。電力工程師可以考慮到由于導體的焦耳加熱造成的材料電阻率的變化，可以在CAE軟件中看到電路板內的電壓損失、熱流分布。

通過ANSYS Workbench，可以將結構、熱、流體和電磁場解算器結合在一起以實現真正的多物理模擬，可以在這些解算器之間自動共享幾何圖元，以考慮場與場之間的耦合影響。

使用共享幾何圖形，ANSYS Workbench平臺可以建立不同的物理場，專家可以為他們的特定學科進行單一物理模擬，在Workbench下拖動場與場之間的數據鏈，可以實現對多個物理場之間的系統級耦合分析。這種協作設計模式意味著所有的專業都可以在模擬的初始階段進行處理，而不是在昂貴的原型制造階段或最終生產階段再進行測試實驗。

某電力輸送裝置，在其設計過程中必須考慮多物理場之間的影響，它必須符合特定的標準才能上架。美國聯邦通信委員會規定其必須滿足有關電氣排放的任務（FCC）法規以及公共辦公環境中的聲噪聲標準以及產品可靠性的熱考慮。在三維有限元電磁場求解器Ansys HFSS中可以模擬電發射測試，以確定設計是否通過fcc電磁干擾(Emi)。在這種情況下，HFSS可以幫助設計者看到，將通風配置為較大的槽和更改為較小的圓孔對EMI的影響。

雖然較小的孔有助于控制EMI，但如果通風口狹小，限制了冷卻所需的空氣流量，則可能會給熱管理工程師帶來問題，導致設備過熱。

利用Ansys Icepak進行熱分析可以建立多種設計變化的模型，以驗證熱可靠性的需要。Icepak是一種用于建模系統的電子熱管理仿真工具，如集成電路(IC)封裝和印刷電路板(PCB)等等。

這個軟件使用穩健的計算流體動力學(CFD)技術計算熱流分布，使工程師能夠在冷卻風扇運行的同時預測設備的內部溫度；改變通風配置可能需要增加風扇速度，以防止過熱。例如，設備在6瓦的功耗下運行，原始的風扇配置必須保持3500rpm的工況，產品最高溫度在110℃的目標以下。而對于較小的通風口，風扇轉速則必須增加到4600rpm，以保持在相同的目標溫度以下。

熱工程師可以和EMI工程師一起，為他們的聯合設計目標找到最佳解決方案。如果不能選擇提高風扇轉速，EMI工程師可以嘗試不同的通風形狀，甚至采用優化方法來解決熱和EMI的問題。

一旦考慮到電磁效應和傳熱，就必須考慮氣動聲學。改進通風口設計，提高風機轉速，解決電磁干擾和散熱問題。但是這些變化可能會影響到設備在運行過程中發出的噪聲，消費者不會接受在家里或工作空間中較大的噪音風扇，因此熱管理必須讓風機保持在低噪音水平上運行。

ANSYS FLUENT可以通過氣動聲學CFD分析，模擬得到噪音的分布。人類可聽到噪音源振幅來自壓力。原始設計的可聽頻率是小于50分貝(dB)的噪聲，其足夠低，可以混合到背景噪聲中。