Icepak 电子设备热仿真及优化技术研究

摘 要

阐述了电子设备热仿真的必要性，利用 Icepak 软件对某电子设备初始方案进行了热仿真，不能满足系统热控制要求。在对原设计方案仿真结果分析基础上，采用热管冷板的化优化方法提高系统散热性能，经仿真能满足系统热控制要求，实验测试结果验证了仿真结果的可靠性。 同时分析了热仿真和实验测试的相互关系，提出了热分析软件的优越性。

关键词：热仿真，热管冷板，设计优化，Icepak

随着军用电子设备研制不断向小型化、多功能化和高性能化方向发展，电子设备内一些大功率器件的发热量和热流密度不断增加，如果不能有效地进行散热设计，将直接影响系统功能的实现和长时间工作的稳定性。 热仿真分析能够在方案阶段比较真实模拟出系统的热分布状况，对热设计方案可行性进行全面分析［1］，确定出系统的温度最高点，通过对数字方案优化设计，可消除存在的热设计问题，以提高产品可靠性、缩短产品上市时间。

1 应用实例及仿真分析

1．1 应用实例

某二次加固型的监测电子设备，内部包括主板、显卡、功能板、电源和一个辅助风扇，系统热控制的设计指标是在环境温度50℃时，关键器件核心温度不超过 90℃。 监测电子设备内部主要器件的 TDP（Thermal Design Power）值及配置如表 1 所示。由设备发热总量和热平衡方程

，估算出系统辅助风扇风量约为 80（CFM）。

由于监测电子设备总功率高，关键器件允许温升小，如果根据电子设备传统设计方法设计， 通过样机验证监测电子设备的高温性能，关键器件温度可能会超过允许值，导致设备可靠性下降，或者样机报废，影响产品交付周期。 为降低设计风险，提高一次成功率， 在生产样机前使用热仿真软件对监测电子设备散热方案进行前端仿真，获得监测电子设备温度分布情况，若达不到要求应采取改进散热措施，以达到系统热控制的设计指标。

1．2 初始方案仿真分析

Icepak 是专业的电子设备热仿真软件， 能够解决系统级、部件级、封装级的热分析问题，提供电子设备热仿真中常用组件风扇、热源等，在 Windows 风格的统一界面内完成建模建立、边界条件设置、网格划分、问题求解、优化和后处理等所有分析过程，简化了热分析建模过程。

考虑功率器件内部传导热阻和导热胶垫热阻， 对监测电子设备的初始方案经过适当简化后［3］，建立的 Icepak 仿真模型如图 1 所示，输入主要器件的发热功率、风扇风量及环境温度，散热片部分局部细化，自动划分网格，仿真模型迭代收敛曲线如图2 所示，初始方案中主要器件温度云图如 3 所示，系统风速迹线图如图 4 所示。

图 1 监测电子设备 Icepak 模型图

图 2 分析模型迭代收敛曲线图

由初始方案温度云图 3 可知， 监测电子设备初始方案能满足 显 卡、 功能模块上功率器件的热控制要求 ， 但 CPU 温度（119．8℃）远远超过器件允许节温（90℃），虽然主板上 CPU 位置有自带的散热片和风扇。 初始方案设计余量不足，不能达到系统热控制指标，需采取优化改进措施。

图 3 初始方案主要器件温度云图

图4 初始方案系统风速迹线图

对初始方案风速迹线图 4 进行分析，虽然系统风速较大，由于受主板器件布局和设备结构形式影响， 初始方案中系统冷却气流在监测电子设备的分配很不合理， 系统总风量中仅有很小一部分流经主板 CPU、北桥上表面的散热 片，系统风量利用效率很低； 主板上 CPU 位置散热片散热面积不足， 在环境温度50℃时难以满足主板 CPU 散热要求，是导致监测电子设备初始方案主板 CPU 器件温度过高的主要原因。

2 热设计方案优化

2．1 方案优化及仿真

监测电子设备中主板为 COTS（commercial off the shelf）产品，器件位置无法改变，要在初始方案基础上达到系统热控制要求，可通过一定措施优化措施提高系统冷却气流利用率，提高系统散热效果。 分析初始方案的结构特点，为达到系统热控制设计指标，在监测电子设备中增加热管冷板组件［4－5］。

热管元件体积小、重量轻、传热能力强、等温性好，冷板强化散热技术［6］结构形式灵活、成本低，热管冷板将热管散热技术和冷板散热技术合理组合，充分利用二者的优点，既结构紧凑，又能有效地解决高密度热流发热器件的散热问题。

在热管冷板组件中， 冷板为高导热系数的铝合金， 除主板CPU、北桥芯片位置的散热片外，根据监测电子设备初始方案的风速迹线图， 在设备内部风速较大位置增加一组适当密度和高度的散热片［7－8］，方向与冷却气流方向一致。 热管采用直径为8mm的高性能烧结型微热管（micro heat pipe，MHP），打扁至 4mm后镶嵌在冷板内部［9］，热端与功率器件接触，冷端位于新增散热片底部，结构示意如图 5 所示。 通过热管冷板组件与冷却气流强制对流换热，高效将主板关键 CPU、北桥芯片的热量快速带走。

图 5 热管冷板组件结构示意简图

系统风扇风量不变， 重新建立优化方案的 Icepak 仿真模型，散热片部分局部细化，自动划分网格，求解后获得的优化方案中关键器件的温度云图如 6 所示［10］，系统风速迹线图如图8所示，热管冷板组件的温度云图如图 7 所示。

 图6 改进模型温度云图

图 7 热管冷板组件温度云图

图 8 改进模型系统风速迹线图

从图 6 可以看出，采用增加热管冷板组件优化措施后，提高了系统冷却气流的利用效率，主板 CPU、北桥核心温度降低了20℃以上，显卡器件核心温度 90℃左右，散热效果相对初始方案明显改善，达到系统热控制要求。 通过在测试电子设备上盖板CPU 气流前段位置增加挡风板可进一步提高冷却气流效率。

2．2 热分析与测试结果比较

按优化方案完成监测电子设备设计、加工、组装后，在环境温度 50℃时，顺利通过了高温环境试验的相关条目和 120 小时可靠性考核， 达到了系统热控制要求。 使用美国 Degree Control 公 司 热 测 试 系 统 ATM2400 和 AccuSense UTS1000 型 热电偶传感器，监测电子设备内部主要器件表面温度如表 2 所示。

由表 2 中的分析温度与测试数据比较可知， 软件模拟分析结果和实际测量值比较接近，最大误差为 8．1％，满足工程设计要求。 模拟分析误差主要来自热电偶传感器安装位置误差、模型简化误差和监测电子设备实际工作情况误差。

在开放式电子设备中， 对因器件布局限制导致的局部器件温度过高问题，热管冷板组件结构形式灵活多样，成本低，热阻小，可明显改善系统冷却气流利用不高的状况，可作为一种通用有效的解决方案。

3 电子设备热仿真和实验的结合

从以上优化仿真过程可以看出， 在基本不增加项目成本的条件下， 通过 Icepak 热仿真软件对数字样机的热仿真和优化，改善了初始热设计方案的不足， 明显降低了关键器件的表面温度，提高了产品可靠性，但电子设备的热仿真不能完全取代高温试验的作用。

虽然目前商用热仿真软件均能在方案阶段比较真实地模拟系统的热状况，对产品热设计方案的可行性进行评估，但由于流体理论研究的局限性和仿真模型的复杂性，即使模型精确，工程师经验丰富， 测试结果和热分析软件仿真结果依然可能存在较大误差［11］。 为了达到较好的效果，电子设备热仿真一定要与实验测试相结合，并相互补充。

热仿真软件对系统热设计的重要作用， 在于帮助设计师较为准确的预测散热系统的效果， 找到影响系统散热能力的关键点，可快速对优化措施的效果进行模拟，并可对影响系统散热效果的多种因素及影响程度进行定量的综合分析， 为选择费效比最优的散热措施提供依据。

4 结束语

热分析软件能在方案设计阶段快速获得系统热设计的效果， 在系统级模拟出电子设备内部风速、 风压及温度场分布状况,对设备散热能力有一个直观量全面的了解，及时发现初始方案热设计中存在的问题。

通过优化数字样机中风道、器件布局、风扇、散热器等各种参数的综合分析，寻找系统散热最佳方案，为选择费效比最高的系统散热方案提供依据；同时减少生产实际样机的时间和费用，使得产品能够高质、高效地投入市场，提高产品的市场竞争力。

参考文献

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［11］康顺，石磊．CFD 模拟的误差分析及网格收敛性研究［J］．工程热物理学报，2010，31（12）：2009－2014

作者：卢锡铭 吴 亮 （江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）