摘要：本文介紹了在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)流程中，在產(chǎn)品方案階段和數(shù)字化樣機(jī)驗(yàn)證階段，CAE熱設(shè)計(jì)發(fā)揮的重要作用。展示了使用PERA SIM Fluid通用流體仿真軟件進(jìn)行工業(yè)相機(jī)散熱仿真，從導(dǎo)入幾何模型開始，到劃分全六面體網(wǎng)格、定義流體域、固體域、為各個體賦予材料參數(shù)，添加邊界條件，物理模型設(shè)置以及求解器設(shè)置，最終得到熱分析結(jié)果，驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為電子產(chǎn)品在樣機(jī)驗(yàn)證前再把一道關(guān)。

關(guān)鍵詞：熱設(shè)計(jì)；電子散熱；自然散熱

2024年7月18日，安世亞太大咖慧推出基于PERA SIM的電子產(chǎn)品（工業(yè)相機(jī)）熱設(shè)計(jì)免費(fèi)線上培訓(xùn)，通過本次課程，幫助工程師了解如何使用PERA SIM進(jìn)行電子產(chǎn)品的方案熱設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證。精彩內(nèi)容，不可錯過！

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1.引言

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)流程中，功能要求的實(shí)現(xiàn)總是第一位的。在實(shí)現(xiàn)功能要求的前提下，還有外觀要求、制造要求、成本要求、可靠性要求等等要求。在方案確定階段，需要工業(yè)設(shè)計(jì)師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和硬件工程師互相協(xié)調(diào)調(diào)整。目前，使用仿真軟件在方案階段及數(shù)字樣機(jī)驗(yàn)證階段進(jìn)行熱仿真，已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要過程。隨著電子產(chǎn)品向高度集成化與高性能化迅猛演進(jìn)，電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。以往僅憑理論估算即可滿足的設(shè)計(jì)需求，如今已轉(zhuǎn)變?yōu)閷峥刂凭鹊臉O致追求。隨著電子元件工作溫度的安全裕度日益縮小，這不僅要求設(shè)計(jì)人員要具備更精細(xì)的熱管理策略，也促使整個行業(yè)轉(zhuǎn)為利用先進(jìn)的仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品開發(fā)初期進(jìn)行精準(zhǔn)的熱行為預(yù)測與優(yōu)化。

本文介紹了一款工業(yè)相機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)流程中，在其中熱設(shè)計(jì)方案和仿真驗(yàn)證的兩個環(huán)節(jié)，使用 PERA SIM Fluid通用流體仿真軟件對方案和產(chǎn)品進(jìn)行CAE仿真，分別驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)方案可行和產(chǎn)品可行。通過CAE的仿真，減少設(shè)計(jì)迭代流程，減少試驗(yàn)迭代成本。

2.問題描述

產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需求

硬件工程師在完成本文中此型號的工業(yè)相機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)原理圖后，向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和熱設(shè)計(jì)工程師提供了硬件的布局方案以及詳細(xì)的元件手冊（DATASHEET），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和熱設(shè)計(jì)工程師根據(jù)輸入和需求給出滿足散熱需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

在本文中主要探討結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)，且需要對本實(shí)際工程項(xiàng)目的硬件部分保密，對詳細(xì)的硬件選型將不會提及。

電子產(chǎn)品類別：工業(yè)相機(jī)

整機(jī)工作環(huán)境溫度：-55℃~+70℃

主要功耗器件為FPGA，最大功耗5W～10W。可以根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行降額。最高允許結(jié)溫125℃。

三塊PCB尺寸：40×40×1.6mm

整機(jī)三防等級：IP67

工作場景：廠房、車間、實(shí)驗(yàn)室等

其他要求：某些使用場景不允許存在振動源，相機(jī)內(nèi)不允許使用風(fēng)扇等振動元件。

PCBA連接示意圖如下圖：

圖1 PCBA連接示意圖

3.計(jì)算結(jié)果分析

3.1 理論經(jīng)驗(yàn)估算

主要熱源位于三塊PCBA中間，且設(shè)備要求IP67，則設(shè)備內(nèi)腔將保持密封。熱源只能通過傳導(dǎo)，將熱量傳導(dǎo)到相機(jī)殼體上，再將熱量傳遞到空氣中。

在自然散熱的場景下，我們?nèi)∽匀粚α鲹Q熱系數(shù)5 W/ (m^2·℃)，估算在50℃的工作環(huán)境下，F(xiàn)PGA允許最高結(jié)溫125℃，散熱片需要的面積最少是133cm2。散熱器基板尺寸40×40的情況下，翅片厚度2mm，間隙2mm，翅片高度要到20mm才能滿足散熱面積。

PCBA間隔8mm的距離是顯然不夠的。提出增大連接器高度或者將FPGA板橫置，使用直角連接器連接。綜合考慮產(chǎn)品尺寸，成型工藝，密封方案，連接器選型等方面后，決定采取加大FPGA板和接口板之間板間連接器高度的方案。連接器有20mm和25mm兩種型號。

3.2使用 PERA SIM對散熱方案進(jìn)行驗(yàn)證

構(gòu)建只有PCB、FPGA和散熱器的簡單模型，使用PERA SIM Fluid進(jìn)行仿真計(jì)算，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行收斂，以便下一步的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖2 散熱方案評估模型

表1 不同工況計(jì)算結(jié)果

3.3 方案對比結(jié)論

選取20mm高的連接器，略微增加散熱器基板尺寸，不再做散熱器翅片的尺寸優(yōu)化，繼續(xù)做尺寸優(yōu)化邊際效應(yīng)明顯，優(yōu)先考慮加工工藝的影響。

仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)手冊中的推薦表述一致，下一步進(jìn)行工業(yè)相機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖3 數(shù)據(jù)手冊中的散熱方式推薦

4.數(shù)字樣機(jī)仿真驗(yàn)證

4.1 導(dǎo)入模型

導(dǎo)入詳細(xì)設(shè)計(jì)完成，并簡化后的工業(yè)相機(jī)幾何CAD模型，修復(fù)幾何并識別體。

圖4 工業(yè)相機(jī)幾何導(dǎo)入

圖5 幾何快速修復(fù)

使用幾何菜單中的快速修復(fù)功能，設(shè)定合適的縫合容差值和去特征容差值，將工業(yè)相機(jī)模型的各個元件、外殼、PCB及其流體區(qū)域模型進(jìn)行自動的縫合交叉，確認(rèn)縫合交叉位置。將元器件被簡化為規(guī)整的六面體幾何形態(tài)，同時使用了查找結(jié)構(gòu)化面設(shè)置，有利于之后的網(wǎng)格生成。

4.2 網(wǎng)格劃分

為保持整體幾何特征與保證傳熱關(guān)鍵位置的網(wǎng)格尺寸，對元器件最小尺寸與最小對流gap的進(jìn)行整體把控與測量后，通過全局尺寸進(jìn)行網(wǎng)格控制。

固體最小網(wǎng)格層數(shù)保證2-4層或以上（殼體壁厚），流動縫隙最小網(wǎng)格3-6層或以上（翅片間隙），來保證基礎(chǔ)及更精準(zhǔn)地計(jì)算結(jié)果。設(shè)置第一層邊界層厚度為0.1，設(shè)置三層邊界層。

對工業(yè)相機(jī)整個裝配添加密度盒，一方面增加細(xì)小幾何特征得網(wǎng)格密度，一方面控制空氣域不劃分高密度網(wǎng)格減小網(wǎng)格數(shù)量。

圖6 固體網(wǎng)格

圖7 密度盒設(shè)置

圖8 間隙網(wǎng)格分布

4.3物理模型設(shè)置與邊界設(shè)置

采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，不可壓流體，激活能量方程。粘度模型使用K-w SST湍流模型。勾選偽瞬態(tài)選項(xiàng)，加強(qiáng)自然對流收斂穩(wěn)定性。偽瞬態(tài)時間步長1S，固體偽瞬態(tài)時間步長1000S。

打開浮力選型，設(shè)置重力方向-X與大小9.8m/S2。環(huán)境空氣屬性使布西尼斯克假設(shè)，來反應(yīng)溫升不高時得浮力作用，密度和動力粘度按照常溫常壓下得物性設(shè)置。

圖9 環(huán)境空氣屬性

元件材料設(shè)置以及材料屬性見下表：

表2 元件屬性列表

表3 材料屬性列表

空氣域邊界設(shè)置為壓力出口，壓力按照一個大氣壓，表壓0 Pa得邊界設(shè)置，湍流強(qiáng)度和長度尺度保持默認(rèn)設(shè)置。

圖10 空氣域外邊界

創(chuàng)建主要熱源FPGA的溫度檢測點(diǎn)來監(jiān)控溫度曲線，幫助判斷求解收斂。

圖11 監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

通過殘差曲線和溫度監(jiān)控曲線綜合判斷計(jì)算收斂。

圖12 殘差監(jiān)控曲線

圖13 監(jiān)控點(diǎn)溫度監(jiān)控曲線

創(chuàng)建設(shè)備表面溫度云圖，界面溫度云圖和空氣流線圖，直觀理解設(shè)備的散熱情況。

圖14 相機(jī)表面溫度云圖

圖15 求解域截面溫度云圖

圖16 空氣流線圖

通過仿真計(jì)算，判斷詳細(xì)設(shè)計(jì)的工業(yè)相機(jī)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，并滿足了設(shè)計(jì)需求。在環(huán)境溫度下（25℃），F(xiàn)PGA的結(jié)溫在60.12℃；到70℃的環(huán)境中，結(jié)溫將到達(dá)105℃，還留有一定的設(shè)計(jì)裕量。

該設(shè)計(jì)將進(jìn)行小批制造，工程樣機(jī)驗(yàn)證。

4.總結(jié)

本文以國產(chǎn)自主研發(fā)的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid，對工業(yè)相機(jī)的設(shè)計(jì)方案和詳細(xì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了熱仿真分析，得到了工業(yè)相機(jī)在工作狀態(tài)下的溫度分布，以及所關(guān)注元器件的結(jié)溫。在實(shí)物樣機(jī)驗(yàn)證前進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，有助于縮短設(shè)計(jì)開發(fā)流程并節(jié)省開發(fā)成本。

綜上可得，作為國產(chǎn)自主研發(fā)的通用流體仿真軟件，PERA SIM Fluid在計(jì)算工業(yè)相機(jī)溫度場的過程中，能完整地對模型進(jìn)行材料定義、網(wǎng)格劃分、流體通用模型設(shè)置、分析求解和仿真結(jié)果的可視化與數(shù)據(jù)處理。整體流程簡單易用，流程完整且高效。

作者：安世亞太工程師 朱志達(dá)