基于PERA SIM的电子产品热设计

本文介绍了在电子产品设计开发流程中，在产品方案阶段和数字化样机验证阶段，CAE热设计发挥的重要作用。展示了使用PERA SIM Fluid通用流体仿真软件进行工业相机散热仿真，从导入几何模型开始，到划分全六面体网格、定义流体域、固体域、为各个体赋予材料参数，添加边界条件，物理模型设置以及求解器设置，最终得到热分析结果，验证产品设计，为电子产品在样机验证前再把一道关。

关键词：热设计；电子散热；自然散热

在电子产品设计开发流程中，功能要求的实现总是第一位的。在实现功能要求的前提下，还有外观要求、制造要求、成本要求、可靠性要求等等要求。在方案确定阶段，需要工业设计师、结构设计工程师和硬件工程师互相协调调整。目前，使用仿真软件在方案阶段及数字样机验证阶段进行热仿真，已成为电子产品设计的必要过程。随着电子产品向高度集成化与高性能化迅猛演进，电子产品的热设计面临着前所未有的挑战。以往仅凭理论估算即可满足的设计需求，如今已转变为对热控制精度的极致追求。随着电子元件工作温度的安全裕度日益缩小，这不仅要求设计人员要具备更精细的热管理策略，也促使整个行业转为利用先进的仿真技术进行产品热设计，在产品开发初期进行精准的热行为预测与优化。

本文介绍了一款工业相机的设计开发流程中，在其中热设计方案和仿真验证的两个环节，使用    PERA SIM Fluid通用流体仿真软件对方案和产品进行CAE仿真，分别验证热设计方案可行和产品可行。通过CAE的仿真，减少设计迭代流程，减少试验迭代成本。

产品设计结构需求

硬件工程师在完成本文中此型号的工业相机硬件实现原理图后，向结构设计工程师和热设计工程师提供了硬件的布局方案以及详细的元件手册（DATASHEET），结构设计工程师和热设计工程师根据输入和需求给出满足散热需求的结构设计方案。

在本文中主要探讨结构散热设计，且需要对本实际工程项目的硬件部分保密，对详细的硬件选型将不会提及。

电子产品类别：工业相机

整机工作环境温度：-55℃~+70℃

主要功耗器件为FPGA，最大功耗5W～10W。可以根据使用环境进行降额。最高允许结温125℃。

三块PCB尺寸：40×40×1.6mm

整机三防等级：IP67

工作场景：厂房、车间、实验室等

其他要求：某些使用场景不允许存在振动源，相机内不允许使用风扇等振动元件。

PCBA连接示意图如下图：

图1  PCBA连接示意图

3.1 理论经验估算

主要热源位于三块PCBA中间，且设备要求IP67，则设备内腔将保持密封。热源只能通过传导，将热量传导到相机壳体上，再将热量传递到空气中。

在自然散热的场景下，我们取自然对流换热系数5 W/ (m^2·℃)，估算在50℃的工作环境下，FPGA允许最高结温125℃，散热片需要的面积最少是133cm²。散热器基板尺寸40×40的情况下，翅片厚度2mm，间隙2mm，翅片高度要到20mm才能满足散热面积。

PCBA间隔8mm的距离是显然不够的。提出增大连接器高度或者将FPGA板横置，使用直角连接器连接。综合考虑产品尺寸，成型工艺，密封方案，连接器选型等方面后，决定采取加大FPGA板和接口板之间板间连接器高度的方案。连接器有20mm和25mm两种型号。

3.2使用 PERA SIM对散热方案进行验证

构建只有PCB、FPGA和散热器的简单模型，使用PERA SIM Fluid进行仿真计算，对设计方案进行收敛，以便下一步的结构详细设计。

图2  散热方案评估模型

表1  不同工况计算结果

3.3 方案对比结论

选取20mm高的连接器，略微增加散热器基板尺寸，不再做散热器翅片的尺寸优化，继续做尺寸优化边际效应明显，优先考虑加工工艺的影响。

仿真结果与数据手册中的推荐表述一致，下一步进行工业相机的详细设计。

 图3  数据手册中的散热方式推荐

4.1 导入模型

导入详细设计完成，并简化后的工业相机几何CAD模型，修复几何并识别体。

               

               

使用几何菜单中的快速修复功能，设定合适的缝合容差值和去特征容差值，将工业相机模型的各个元件、外壳、PCB及其流体区域模型进行自动的缝合交叉，确认缝合交叉位置。将元器件被简化为规整的六面体几何形态，同时使用了查找结构化面设置，有利于之后的网格生成。

4.2 网格划分

为保持整体几何特征与保证传热关键位置的网格尺寸，对元器件最小尺寸与最小对流gap的进行整体把控与测量后，通过全局尺寸进行网格控制。

固体最小网格层数保证2-4层或以上（壳体壁厚），流动缝隙最小网格3-6层或以上（翅片间隙），来保证基础及更精准地计算结果。设置第一层边界层厚度为0.1，设置三层边界层。

对工业相机整个装配添加密度盒，一方面增加细小几何特征得网格密度，一方面控制空气域不划分高密度网格减小网格数量。

             

             

             

4.3物理模型设置与边界设置

采用稳态计算，不可压流体，激活能量方程。粘度模型使用K-w SST湍流模型。勾选伪瞬态选项，加强自然对流收敛稳定性。伪瞬态时间步长1S，固体伪瞬态时间步长1000S。

打开浮力选型，设置重力方向-X与大小9.8m/S²。环境空气属性使布西尼斯克假设，来反应温升不高时得浮力作用，密度和动力粘度按照常温常压下得物性设置。

图9  环境空气属性

元件材料设置以及材料属性见下表：

             

表2  元件属性列表              

               

表3  材料属性列表              

空气域边界设置为压力出口，压力按照一个大气压，表压0 Pa得边界设置，湍流强度和长度尺度保持默认设置。

图10  空气域外边界

创建主要热源FPGA的温度检测点来监控温度曲线，帮助判断求解收敛。

图11  监控点设置

4.4 计算结果分析

通过残差曲线和温度监控曲线综合判断计算收敛。

图12  残差监控曲线 

图13  监控点温度监控曲线

创建设备表面温度云图，界面温度云图和空气流线图，直观理解设备的散热情况。

图14  相机表面温度云图 

图15  求解域截面温度云图

图16  空气流线图

通过仿真计算，判断详细设计的工业相机符合设计预期，并满足了设计需求。在环境温度下（25℃），FPGA的结温在60.12℃；到70℃的环境中，结温将到达105℃，还留有一定的设计裕量。

该设计将进行小批制造，工程样机验证。

本文以国产自主研发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid，对工业相机的设计方案和详细设计模型进行了热仿真分析，得到了工业相机在工作状态下的温度分布，以及所关注元器件的结温。在实物样机验证前进行了仿真验证，有助于缩短设计开发流程并节省开发成本。

综上可得，作为国产自主研发的通用流体仿真软件，PERA SIM Fluid在计算工业相机温度场的过程中，能完整地对模型进行材料定义、网格划分、流体通用模型设置、分析求解和仿真结果的可视化与数据处理。整体流程简单易用，流程完整且高效。