PCB散熱器優(yōu)化很難嗎？這樣做就很容易！
相信不少工程師在產(chǎn)品研發(fā)過程中都會遇到因器件過熱而影響板卡可靠性的問題，面對這種情況，散熱器的設(shè)計就十分關(guān)鍵。如何通過優(yōu)化散熱器設(shè)計來提高芯片的散熱性能，解決PCB板過熱問題，這讓很多工程師很是頭疼。看完下面的案例后你會發(fā)現(xiàn)，其實散熱器的優(yōu)化設(shè)計其實很容易。
本文的研究對象為帶兩個散熱器的CPIC卡板模型，目標是優(yōu)化位號為U7（上游）和 U8（下游）的兩個元件的散熱器。三個案例的優(yōu)化目標分別為：
■案例 1：使散熱器質(zhì)量最小，考慮其成本，越小越輕越好。
■案例 2：元件溫度最低可以達到多少？
■案例 3：如何使元件之間的溫差最小？如果工作在相同溫度，電氣功能會更好。
我們將利用如下環(huán)境參數(shù)進行PCB仿真。氣流方向如圖所示。
■海拔：海平面
■環(huán)境溫度：55°C
■上游風速：400 ft/min
■槽間距：0.8 in
電路板布局如圖所示， PCB定義如下：
■ 疊層：2S2P
■ PCB 尺寸：100 mm x 160 mm
■ PCB 厚度：1.6 mm
■ 總功率：22.5 W
U7（上游）和U8（下游）建模為2R精簡熱模型，與熱設(shè)計相關(guān)的具體參數(shù)如下：
■ RJC：0.5°C/W
■ RJB：20°C/W
■ TIM：0.5°Cin2/W
結(jié)合優(yōu)化目標及相關(guān)約束條件，分析如下三個案例：
■案例 1：使U7和U8散熱器的質(zhì)量最小，兩個散熱器完全相同，U8結(jié)溫維持在100°C。
■案例 2：使U8結(jié)溫最低。U7和U8散熱器完全相同。
■案例 3：使U7和U8散熱器的質(zhì)量最??；兩個散熱器的外形結(jié)構(gòu)相同，但鰭片長度不同；U8結(jié)溫維持在100°C。此外，U7和U8結(jié)溫之差以1°C為限。
實驗設(shè)計
優(yōu)化之前，我們利用 FloTHERM軟件的CommandCenter 實驗設(shè)計(DOE)選項創(chuàng)建50個要利用CFD進行分析的仿真模型。該研究使用如下輸入?yún)?shù)：
DOE 中用到的其他約束包括：
1. 輸入約束——散熱器最大高度以15.5 mm為限（案例 1-3）。
2. 線性約束——當U7和U8散熱器基板尺寸改變時，確保散熱器始終以相應(yīng)的元件為中心（案例 1-3）。
3. 線性約束——確保 U7 散熱器的所有尺寸參數(shù)都與 U8 散熱器相同，即這兩個散熱器完全相同（案例 1-2）。
4. 線性約束——確保 U7 散熱器除鰭片高度外的所有其他尺寸參數(shù)都與 U8 散熱器相同，即相同的外形結(jié)構(gòu)（案例 3）。
上圖顯示了輸入?yún)?shù)在案例1和2的設(shè)計空間上的分布。對案例3執(zhí)行單獨的DOE，U8和U7鰭片高度可以獨立改變（下圖）。
只從這些結(jié)果無法確定最優(yōu)設(shè)計，但它指出了可實現(xiàn)的輸出范圍是多少。軟件利用CFD分析50種設(shè)計，大約需要30分鐘。
下一步需要進行響應(yīng)面優(yōu)化。
響應(yīng)面優(yōu)化
對DOE分析的50種設(shè)計案例中的每一種都執(zhí)行響應(yīng)面優(yōu)化 (RSO)。RSO將響應(yīng)面與數(shù)據(jù)擬合，通過數(shù)學計算來預測最優(yōu)設(shè)計。執(zhí)行RSO需要1-2分鐘。對于此 cPCI 卡，每種RSO優(yōu)化都應(yīng)用如下輸出約束：
■ 案例 1：最大允許U8 結(jié)溫為 100 °C。
■ 案例 2：不應(yīng)用輸出約束。
■ 案例 3：最大允許U8結(jié)溫為 100 °C。U7和U8之間的最大結(jié)溫差為1 °C。
下面是考慮的每種優(yōu)化案例的結(jié)果。表中同時列出了數(shù)學預測的最優(yōu)結(jié)果和CFD仿真獲得的實際結(jié)果以供比較，包括 RSO 預測最優(yōu)結(jié)果的誤差。
除了預測的最優(yōu)設(shè)計點以外，RSO計算還會產(chǎn)生2D/2.5D和3D圖。下面給出案例1對應(yīng)的圖形作為示例。
上圖以2.5D圖形式顯示了不同鰭片高度時U8結(jié)溫與鰭片數(shù)量的關(guān)系，所有其他參數(shù)都設(shè)置為 RSO 預測最優(yōu)值。
下圖以3D圖形式顯示了U8結(jié)溫與基板長度和寬度的關(guān)系。這些圖形對了解設(shè)計對不同輸入的敏感度很有用。本例中我們看到，當基板長度超過35 mm時，再增加基板長度所獲得的效果要比增加基板寬度差得多。
在本案例分析的結(jié)果中，U8的RSO預測結(jié)溫為100°C，這是輸出約束所用的值，但CFD結(jié)果顯示結(jié)溫達到102.6°C。為了滿足這一約束，建議通過更多DOE仿真來進一步優(yōu)化。
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