作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客公众号莱歌数字B站同名个人微信yanshanYH211、985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。更多资讯请关注B站/公众号【莱歌数字】有视频教程~~电子产品的散热问题日益严峻据统计过热是电子产品失效的首要原因。随着电子产品热耗上升化、设备小巧化、环境多样化热设计的要求愈发严格产品热设计在整机中所占据的成本比重迅速增加。在传统行业中如航空、核能、汽车等电子产品的热设计受到安全性和可靠性的严格要求关注重点是降低元器件温度留出充分的安全裕量设计值往往低于其额定值以延长产品使用寿命。面对这些挑战热仿真将起到很好的辅助设计作用。热仿真就是通过计算机仿真技术建立一个接近实际系统的模型利用物理热力学原理及物质热属性来分析研究系统 (产品) 的热学特性的仿真实验分析。本期给大家带来的是关于热设计仿真加速、缩短设计周期的意义与路径、散热优化设计方法研究内容希望对大家有帮助。一、热设计仿真的重要性与挑战热设计对于电子产品至关重要随着电子产品功耗增加、尺寸受限散热问题凸显热设计效率成为企业核心竞争力。但热传递受多种因素限制热设计面临诸多挑战。热仿真对热设计的指导主要体现在确定散热方式是否合理、对不同的散热方案进行筛选选取最优方案、优化结构以及散热部件的选型等方面。以最恶劣的工况和参数来进行仿真以最恶劣的仿真结果来评判温度是否合格从而覆盖一些误差和不确定性为热设计保留一定余量再通过实测结果来微调。二、加速热设计仿真的方法一软件选择与应用在FloEFD热仿真设计中通过简化建模、设置仿真精度及调整参数进行设计能够有效提高仿真速度。FloTHERM 等电子散热软件具备快速建模、网格剖分、求解计算和后处理等功能可缩短产品设计周期。电子散热仿真分析软件 FloTHERM 采用计算机流体动力学技术对系统在层流、湍流或过渡态状态下的导热、对流及辐射情况进行求解获得系统流动传热的参数分布。在产品设计的最初期工程师就可以利用它创建虚拟模型对多种系统设计方案进行评估识别潜在的散热风险规避样机试制风险减少重复设计缩短开发周期降低成本。FloTHERM 软件配有专门针对电子散热行业的自动网格划分技术可以确保工程师在网格设置上投入的时间远远低于其它软件解算时占用的内存和 CPU 资源都比其它软件少四分之三以上。二设计优化选材选用热阻小的板材、多层板结构等。在选材方面印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过 125℃。特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。采用多层板结构有助于 PCB 热设计因为多层板可以提供更多的散热路径提高散热效率。保证散热通道畅通利用元器件排布、散热通孔等技术。充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通道保证热量顺利导出 PCB。例如设计一些散热通孔和盲孔可以有效地提高散热面积和减少热阻提高电路板的功率密度。在器件的焊盘上设立导通孔在电路生产过程中焊锡将其填充使导热能力提高电路工作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的铜箔散发掉。元器件排布合理避免大功耗器件集中使传热通路短且横截面大。板面热容量均匀分布注意不要把大功耗器件集中布放如无法避免则要把矮的元件放在气流的上游并保证足够的冷却风量流经热耗集中区。使传热通路尽可能短传热横截面尽可能大。元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响对热敏感的部件、元器件应远离热源或将其隔离。布线优化降低接触面热阻多使用金属化过孔等。根据器件电流密度规划通道宽度特别注意接合点处通道布线。大电流线条尽量表面化在不能满足要求的条件下可考虑采用汇流排。要尽量降低接触面的热阻为此应加大热传导面积接触平面应平整、光滑必要时可涂覆导热硅脂。散热铜皮需采用消热应力的开窗法利用散热阻焊适当开窗。尽可能多安放金属化过孔且孔径、盘面尽量大依靠过孔帮助散热。三高效热仿真分析方法建立简化模型降低计算复杂度。在进行热仿真分析时可以采用简化优化仿真效率。针对模型结构太过于复杂使得计算时间相对较长的情况可以选择使用 简化利用正交网格计算速度快的优势。使用优化算法提高准确性。可以使用优化设计模块如 FloTHERM 中的 Command Center 进行目标驱动的自动优化设计可以进行温度场、流场、重量及结构尺寸等方面的自动优化设计包含 DoE实验设计法、SO自动循序优化法、RSO响应面法优化法等先进优化方法提高热仿真的准确性。采用并行计算技术提高效率。支持多核平行运算的热仿真软件可以显著提高计算速度减少计算时间提高热分析效率。例如 FloTHERM 软件支持多 CPU 或多核 CPU 的求解器升级在多 CPU 或多核 CPU 的电脑上可以显著提高软件计算速度。此方法可直接把CPU拉满效果杠杠的三、热设计仿真加速的价值一缩短设计周期加快热设计仿真速度最直接的意义在于显著缩短设计周期。以电子设备行业为例如今市场竞争激烈产品更新换代速度极快。传统的热设计方法往往需要多次样机制作和测试耗费大量时间和成本。而通过高效的热设计仿真可以在产品设计的早期阶段就发现潜在的热问题并进行优化设计避免了后期反复修改和测试的过程。例如使用FloEFD、 Flotherm 等软件进行热仿真可以在几小时内获得复杂热设计方案的分析结果工程师能够快速对模型进行修改和优化大大缩短了产品从设计到上市的时间。据统计采用热设计仿真技术可以将产品设计周期缩短 30% 至 50%。二降低成本热设计仿真加速还能有效降低成本。一方面减少了样机制作的次数降低了样机制作的费用。传统方法中多次制作样机不仅耗费材料和人工成本还可能因为设计变更导致浪费。另一方面通过优化设计可以选择更合适的材料和散热方案避免过度设计降低材料成本。三提高产品可靠性快速准确的热设计仿真有助于提高产品的可靠性。通过热仿真可以在各种恶劣工况下对产品进行模拟提前发现潜在的热失控风险和散热问题并采取相应的安全措施。热仿真技术可以帮助深入分析电池的热耦合效应、热传导过程和热失控风险为散热系统的优化提供有力支撑提高产品的性能和寿命保障产品的安全性。同时热设计仿真还可以为产品热设计保留一定余量再通过实测结果进行微调进一步提高产品的可靠性。
从“经验试错”到“一次做对”：热设计仿真助力产品研发设计
作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客公众号莱歌数字B站同名个人微信yanshanYH211、985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。更多资讯请关注B站/公众号【莱歌数字】有视频教程~~电子产品的散热问题日益严峻据统计过热是电子产品失效的首要原因。随着电子产品热耗上升化、设备小巧化、环境多样化热设计的要求愈发严格产品热设计在整机中所占据的成本比重迅速增加。在传统行业中如航空、核能、汽车等电子产品的热设计受到安全性和可靠性的严格要求关注重点是降低元器件温度留出充分的安全裕量设计值往往低于其额定值以延长产品使用寿命。面对这些挑战热仿真将起到很好的辅助设计作用。热仿真就是通过计算机仿真技术建立一个接近实际系统的模型利用物理热力学原理及物质热属性来分析研究系统 (产品) 的热学特性的仿真实验分析。本期给大家带来的是关于热设计仿真加速、缩短设计周期的意义与路径、散热优化设计方法研究内容希望对大家有帮助。一、热设计仿真的重要性与挑战热设计对于电子产品至关重要随着电子产品功耗增加、尺寸受限散热问题凸显热设计效率成为企业核心竞争力。但热传递受多种因素限制热设计面临诸多挑战。热仿真对热设计的指导主要体现在确定散热方式是否合理、对不同的散热方案进行筛选选取最优方案、优化结构以及散热部件的选型等方面。以最恶劣的工况和参数来进行仿真以最恶劣的仿真结果来评判温度是否合格从而覆盖一些误差和不确定性为热设计保留一定余量再通过实测结果来微调。二、加速热设计仿真的方法一软件选择与应用在FloEFD热仿真设计中通过简化建模、设置仿真精度及调整参数进行设计能够有效提高仿真速度。FloTHERM 等电子散热软件具备快速建模、网格剖分、求解计算和后处理等功能可缩短产品设计周期。电子散热仿真分析软件 FloTHERM 采用计算机流体动力学技术对系统在层流、湍流或过渡态状态下的导热、对流及辐射情况进行求解获得系统流动传热的参数分布。在产品设计的最初期工程师就可以利用它创建虚拟模型对多种系统设计方案进行评估识别潜在的散热风险规避样机试制风险减少重复设计缩短开发周期降低成本。FloTHERM 软件配有专门针对电子散热行业的自动网格划分技术可以确保工程师在网格设置上投入的时间远远低于其它软件解算时占用的内存和 CPU 资源都比其它软件少四分之三以上。二设计优化选材选用热阻小的板材、多层板结构等。在选材方面印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过 125℃。特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。采用多层板结构有助于 PCB 热设计因为多层板可以提供更多的散热路径提高散热效率。保证散热通道畅通利用元器件排布、散热通孔等技术。充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通道保证热量顺利导出 PCB。例如设计一些散热通孔和盲孔可以有效地提高散热面积和减少热阻提高电路板的功率密度。在器件的焊盘上设立导通孔在电路生产过程中焊锡将其填充使导热能力提高电路工作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的铜箔散发掉。元器件排布合理避免大功耗器件集中使传热通路短且横截面大。板面热容量均匀分布注意不要把大功耗器件集中布放如无法避免则要把矮的元件放在气流的上游并保证足够的冷却风量流经热耗集中区。使传热通路尽可能短传热横截面尽可能大。元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响对热敏感的部件、元器件应远离热源或将其隔离。布线优化降低接触面热阻多使用金属化过孔等。根据器件电流密度规划通道宽度特别注意接合点处通道布线。大电流线条尽量表面化在不能满足要求的条件下可考虑采用汇流排。要尽量降低接触面的热阻为此应加大热传导面积接触平面应平整、光滑必要时可涂覆导热硅脂。散热铜皮需采用消热应力的开窗法利用散热阻焊适当开窗。尽可能多安放金属化过孔且孔径、盘面尽量大依靠过孔帮助散热。三高效热仿真分析方法建立简化模型降低计算复杂度。在进行热仿真分析时可以采用简化优化仿真效率。针对模型结构太过于复杂使得计算时间相对较长的情况可以选择使用 简化利用正交网格计算速度快的优势。使用优化算法提高准确性。可以使用优化设计模块如 FloTHERM 中的 Command Center 进行目标驱动的自动优化设计可以进行温度场、流场、重量及结构尺寸等方面的自动优化设计包含 DoE实验设计法、SO自动循序优化法、RSO响应面法优化法等先进优化方法提高热仿真的准确性。采用并行计算技术提高效率。支持多核平行运算的热仿真软件可以显著提高计算速度减少计算时间提高热分析效率。例如 FloTHERM 软件支持多 CPU 或多核 CPU 的求解器升级在多 CPU 或多核 CPU 的电脑上可以显著提高软件计算速度。此方法可直接把CPU拉满效果杠杠的三、热设计仿真加速的价值一缩短设计周期加快热设计仿真速度最直接的意义在于显著缩短设计周期。以电子设备行业为例如今市场竞争激烈产品更新换代速度极快。传统的热设计方法往往需要多次样机制作和测试耗费大量时间和成本。而通过高效的热设计仿真可以在产品设计的早期阶段就发现潜在的热问题并进行优化设计避免了后期反复修改和测试的过程。例如使用FloEFD、 Flotherm 等软件进行热仿真可以在几小时内获得复杂热设计方案的分析结果工程师能够快速对模型进行修改和优化大大缩短了产品从设计到上市的时间。据统计采用热设计仿真技术可以将产品设计周期缩短 30% 至 50%。二降低成本热设计仿真加速还能有效降低成本。一方面减少了样机制作的次数降低了样机制作的费用。传统方法中多次制作样机不仅耗费材料和人工成本还可能因为设计变更导致浪费。另一方面通过优化设计可以选择更合适的材料和散热方案避免过度设计降低材料成本。三提高产品可靠性快速准确的热设计仿真有助于提高产品的可靠性。通过热仿真可以在各种恶劣工况下对产品进行模拟提前发现潜在的热失控风险和散热问题并采取相应的安全措施。热仿真技术可以帮助深入分析电池的热耦合效应、热传导过程和热失控风险为散热系统的优化提供有力支撑提高产品的性能和寿命保障产品的安全性。同时热设计仿真还可以为产品热设计保留一定余量再通过实测结果进行微调进一步提高产品的可靠性。
