基于Ansys Icepak的散熱器優(yōu)化

1.      簡(jiǎn)介

Ansys Icepak是專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱分析軟件。借助Icepak的分析，用戶可以減少設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子產(chǎn)品的性能、提高產(chǎn)品可靠性、縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。本文通過(guò)Icepak建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的電子系統(tǒng)熱仿真模型，通過(guò)對(duì)散熱器的優(yōu)化，使系統(tǒng)的的最高溫度處于設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)（< 70 ℃）。

 

2.      模型

模型由PCB、芯片、風(fēng)扇、以及散熱器組成。PCB的材料設(shè)為正交各向異性，平面內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)為600 W /（K·m），法向?qū)嵯禂?shù)為0.4 W /（K·m）；9個(gè)芯片的發(fā)熱功率均為20 W；風(fēng)扇的體積流量為0.035 m³/s；散熱器類型為擠壓鋁散熱器。

初始散熱器的總高度設(shè)為6 mm，翅片數(shù)為10個(gè)，如下所示。

 

3.      網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量并減少網(wǎng)格數(shù)目，創(chuàng)建一個(gè)包含風(fēng)扇的assembly和一個(gè)包含所有芯片及散熱器的assembly，劃分網(wǎng)格如下：

4.      求解分析

對(duì)建立的仿真模型進(jìn)行求解，得到溫度云圖如下：

由溫度云圖可知電子系統(tǒng)最高溫為79.9℃，超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，因此需要對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化。

5.      散熱片優(yōu)化

對(duì)散熱器的高度和翅片數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以使系統(tǒng)的溫度低于70℃。

5.1. 定義變量

將散熱器的高度和翅片數(shù)分別定義為fin_h和fin_count變量，fin_h的范圍為6-10 mm，fin_count的范圍為10-16。如下所示。

5.2. 定義函數(shù)

定義一個(gè)名為mxtemp的函數(shù)，限制系統(tǒng)的最高溫度為70℃；另外定義一個(gè)名為HS_mass的目標(biāo)函數(shù)，使系統(tǒng)的溫度達(dá)到要求時(shí)要求時(shí)散熱器的質(zhì)量盡可能的小。

5.3. 優(yōu)化求解

每次優(yōu)化迭代求解完成后，icepak會(huì)列出該迭代步下的函數(shù)及變量對(duì)應(yīng)的值。

由上圖可看出Icepak進(jìn)行了四次計(jì)算，3和4這兩次迭代求解滿足了系統(tǒng)的溫度要求。由于第4次迭代對(duì)應(yīng)的散熱器質(zhì)量小于第3次迭代對(duì)應(yīng)的散熱器質(zhì)量，因此icepak給出的最優(yōu)解為第4次迭代對(duì)應(yīng)的散熱器參數(shù)（fin_h為7.3mm，fin_count為13）。

查看此時(shí)的溫度云圖，系統(tǒng)最高溫度為69.7℃，滿足低于70℃的要求。

6.      總結(jié)

本文通過(guò)Ansys Icepak的優(yōu)化功能對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得電子系統(tǒng)的溫度能處于規(guī)定的溫度范圍之內(nèi)，說(shuō)明電子產(chǎn)品在熱設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用Icepak的優(yōu)化功能可以方便有效地對(duì)散熱器的形狀、質(zhì)量、熱阻等進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。