自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1

 

我們在做產品分析時，多會發現一些器件仿真溫度與實測偏差很大的情況，這個時候多留意一點，細心觀察一下會獲得許多收獲與改進。本文整理一篇管腳類器件散熱仿真與實測誤差進行分析比對，共與大家一同學習參考。

問題來源

在做一款自然散熱產品仿真時，遇到一個功耗約為0.5W的二極管器件溫度明顯偏高，由于主要問題在二極管的溫度，因此將二極管單獨提取出來，專門研究分析：

 

相關條件如下：

環境溫度25℃

模型尺寸50×90×110（mm）

自然對流散熱

 

  

材料特性：外殼為塑料外殼，PCB板為導熱系數各向異性的FR4，二極管為導熱系數設為30的陶瓷材料，管腳為銅。功耗0.5W，其中，二極管外形建模方式如下：

模型1.1

仿真結果：

模型1.1溫度云圖

由圖中可以看出，二極管的最高溫度已經達到了202℃，這顯然不符合常理。于是又仔細觀察實物，修正模型如下：

實物                     模型1.2

對其進行仿真，結果如下：

模型1.2溫度云圖

由模型1.2仿真結果可以看出，現在二極管最高溫度為143℃。可見，由于管腳由一個變為兩個，二極管最高溫度相差59℃。可以看到：對管腳類器件的建模應仔細按照實物建立，管腳的個數對器件的散熱影響很大。 

修正管腳數量后，溫度仍然有很大的偏差，在實際中自然散熱狀態下功率為0.5w的二極管溫度也不會達到這么高，因此應該還有其它導致溫度很高的原因。仔細觀察PCB板與二極管，發現了模型與實際不符的地方：

      

            現有模型                               實際情況

由上圖可以看出現有模型中的管腳并未深入到PCB板中，而實際情況則是二極管的管腳穿透PCB板，因此對模型1.2進行調整，使管腳深入到PCB板內。

仿真結果如下：

模型1.3溫度云圖

由上圖可以看出，當二極管管腳深入PCB板后，其最高溫度為66.7℃，與模型1.2對比，溫升下降了76.3℃之多！同時，41.7℃的溫升也與實際情況比較符合。對于二極管管腳是否深入到PCB板這種看似很小的問題，卻能帶來這么大的計算差異，可見在自然對流散熱中，通過管腳散出的熱量還是十分可觀的，一定不能忽略不計。

 

原因分析：

散熱的方式分為3類：傳導、對流和輻射。在風冷產品設計中，器件主要通過對流換熱的方式帶走絕大部分熱量，因此在風冷產品仿真建模時都是將功率管腳貼在PCB上即可，此時熱量多通過散熱器帶走，由于管腳與之相比熱阻大得多，通過管腳散走的熱很少，通過輻射散走的熱量更是微乎其微，因此這樣建模一般對計算結果的準確性影響很小。而在自然換熱中，情況就變得復雜很多，管腳通過PCB板的導熱散熱、元器件的輻射散熱和對流換熱都要考慮，忽略了哪個都會導致結果有很大的偏差，以上的幾個模型對比很好的說明了這個問題。

如上我們發現兩個問題，1，管腳的數量影響59℃，2，管腳插入pcb又降低76.3℃。那么哪個是主要原因？我們將模型1.1中的二極管管腳深入PCB板（建立模型1.4）再進行仿真，結果對比如下：

          模型1.4溫度云圖       模型1.3溫度云圖（對比參考）

由上圖可見在二極管管腳深入PCB板后，管腳數不同所造成的溫度差異為6.1℃，由此可以得知，仿真誤差的主要原因就來自于管腳是否深入PCB板。

而對于管腳的仍然有個疑問，那就是，如果把單個管腳的截面加倍，那么是與兩個管腳的建模方式溫度又會相差多少？因此，在模型1.4的基礎上建立模型1.5，管腳加粗一倍，其它條件不變，仿真結果如下：

模型1.5溫度云圖

與雙管腳的模型相比，溫度差異為1.7℃。

此外，雙管腳的二極管還有一種形狀：

 

因此，按此外形建立模型1.6：

模型1.6

計算結果如下：

模型1.6溫度云圖

對比結果：

模型

最高溫度（℃）

1.3（雙管腳模型1）

66.7

1.4（單管腳模型）

72.8

1.5（單粗管腳模型）

68.4

1.6（雙管腳模型2）

66.6

由上表可以看出：

1） 對比模型1.3與1.6可知，雙管腳模型溫度與管腳外形（橫放豎放）關系不大（僅差0.1℃）。

2） 可以用單管腳加粗的方式使精確度逼近雙管腳模型。

對于單雙管腳與管腳是否加粗的問題，由于本例研究的并非是作為十分重要的部件的二極管，而問題的出發點是這個本來應該非重點關注的二極管卻溫度極高，因此，個人建議，在仿真項目中當預計作為非主要部件的二極管的溫度對整體影響不大時，可以按照單管腳不加粗的模型建立，以加快建模和計算時間；而對功耗偏高，而且易影響到周圍器件的二極管，應詳細建模以保證計算的準確度。 

另，由于二極管內部的結構未知，因此一般建模時是直接將溫度賦值在二極管管體部分，而事實上二極管管體上大部分是封裝材料，而內部的芯體才是熱源，封裝材料（一般是陶瓷）的導熱系數由于內部芯體（一般是金屬）又有一定的差異，因此把發熱源設置在二極管內部的一個芯體上，建立模型1.8，考察效果，計算結果如下：

模型1.8溫度云圖

由上圖可以看出，模型1.8熱芯的溫度為72.1℃，而管體的溫度為68~70.1℃，與模型1.3（之間模型中比較精確者）相比，管體的溫度相差2~4℃。由于模型1.8的內部結構也不完全與實際一致，所以還需根據實測來確定哪個溫度更為接近實際值。然而可以得到如下的結論：當要仿真的二極管屬于非重點考察對象且其溫度對其它器影響很小的前提下，可以忽略此（模型1.3與1.8之間的）差異，以加快仿真進度。 

另，PCB板一般是多層板,由絕緣材料(聚合體材料或FR4)構成和幾層銅板構成，因此層數的不同會導致PCB板間的用銅量不同，其導熱系數也會因此不同，然而我們可以根據下式計算出不同層數的PCB板的導熱系數：

k沿板面=∑(kiti)/∑ti

k沿板厚=∑ti/∑(ti/ki)

ki=fi*kcu or ki= kFR4

fi=銅層含量

k=層的熱傳導率（W/(mK)）

t=層的厚度（m）

常用多層PCB板通常有4-10個銅層，因此計算其導熱系數大概取值范圍為：

沿板面27 W/(mK) ~68.6W/(mK)

沿板厚0.3 W/(mK)

之前的仿真中，PCB板的導熱系數均按照沿板面27 W/(mK)，沿板厚0.3 W/(mK)的參數設置。為了考察不同層數的PCB板導熱系數對仿真結果的影響，改變PCB板導熱系數，對同樣三種類型（單管腳、雙管腳1、雙管腳2）的二極管進行仿真，結果如下：

模型1.9

模型1.10

模型1.11

對比之前溫度：

 

 

導熱系數27 W/(mK)

(沿板面)

導熱系數為68.6 W/(mK)

(沿板面)

單管腳模型

自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1

72.8℃

69.8℃

雙管腳1模型

自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1

66.7℃

64.7℃

雙管腳2模型

自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1

66.6℃

64.9℃

 

通過對比不同的PCB板導熱系數所得值可以看到，在三種模型下算得的溫度均相差不大（溫差在2℃之內），因此根據以往的計算經驗來看不需要再改動參數即可較好的吻合實驗結果。

綜上總結自然散熱管腳類器件flotherm仿真經驗如下：

1. 對于管腳類器件的自然對流散熱的仿真，管腳需深入PCB板中，否則會產生很大的計算誤差。

2. 對于板級自然對流散熱的仿真，二極管管腳個數的多少可以通過等效換算成單根管腳的粗細度可以很好的接近實際模型，同時簡化了建模。

3. 對于板級自然對流散熱的仿真，二極管管腳的橫置豎置形狀的變化對最后的溫度計算影響很小，結合第2點運用就可以在保證足夠準確度的前提下，簡化模型設置，加快仿真速度。

4. 對于板級自然對流散熱的仿真，PCB板的材料屬性設置可以按照：沿板面27 W/(mK)，沿板厚0.3 W/(mK)做通用設置，可以保證一般要求。