自立CAE | 基于PERA SIM的电子产品热设计

关键词：热设计；电子散热；自然散热

2024年7月18日，安世亚太大咖慧推出基于PERA SIM的电子产品（工业相机）热设计免费线上培训，通过本次课程，帮助工程师理解如何利用PERA SIM进行电子产品的方案热设计以及产品热设计验证。
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专题课包括课程讲解和答疑两个部分，欢迎感兴趣的用户关注安世亚太视频号：安世亚太，预约报名听课。

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1.弁言

在电子产品设计开拓流程中，功能哀求的实现总是第一位的。
在实现功能哀求的条件下，还有外不雅观哀求、制造哀求、本钱哀求、可靠性哀求等等哀求。
在方案确定阶段，须要工业设计师、构造设计工程师和硬件工程师相互折衷调度。
目前，利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寻衅。
以往仅凭理论估算即可知足的设计需求，如今已转变为对热掌握精度的极致追求。
随着电子元件事情温度的安全裕度日益缩小，这不仅哀求设计职员要具备更风雅的热管理策略，也匆匆使全体行业转为利用前辈的仿真技能进行产品热设计，在产品开拓初期进行精准的热行为预测与优化。

本文先容了一款工业相机的设计开拓流程中，在个中热设计方案和仿真验证的两个环节，利用 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，减少试验迭代本钱。

2.问题描述

产品设计构造需求

硬件工程师在完本钱文中此型号的工业相机硬件实现事理图后，向构造设计工程师和热设计工程师供应了硬件的布局方案以及详细的元件手册（DATASHEET），构造设计工程师和热设计工程师根据输入和需求给出知足散热需求的构造设计方案。

在本文中紧张磋商构造散热设计，且须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。

电子产品种别：工业相机

整机事情环境温度：-55℃~+70℃

紧张功耗器件为FPGA，最大功耗5W～10W。
可以根据利用环境进行降额。
最高许可结温125℃。

三块PCB尺寸：40401.6mm

整机三防等级：IP67

事情场景：厂房、车间、实验室等

其他哀求：某些利用场景不许可存在振动源，相机内不许可利用风扇等振动元件。

PCBA连接示意图如下图：

图1 PCBA连接示意图

3.打算结果剖析

3.1 理论履历估算

紧张热源位于三块PCBA中间，且设备哀求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，再将热量通报到空气中。

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℃的事情环境下，FPGA许可最高结温125℃，散热片须要的面积最少是133cm。
散热器基板尺寸4040的情形下，翅片厚度2mm，间隙2mm，翅片高度要到20mm才能知足散热面积。

PCBA间隔8mm的间隔是显然不足的。
提出增大连接器高度或者将FPGA板横置，利用直角连接器连接。
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，决定采纳加大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利用 PERA SIM对散热方案进行验证

构建只有PCB、FPGA和散热器的大略模型，利用PERA SIM Fluid进行仿真打算，对设计方案进行收敛，以便下一步的构造详细设计。

图2 散热方案评估模型

表1 不同工况打算结果

3.3 方案比拟结论

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，连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举表述同等，下一步进行工业相机的详细设计。

图3 数据手册中的散热办法推举

4.数字样机仿真验证

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。

图4 工业相机几何导入

图5 几何快速修复

利用几何菜单中的快速修复功能，设定得当的缝合容差值和去特色容差值，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，同时利用了查找构造化面设置，有利于之后的网格天生。

4.2 网格划分

为保持整体几何特色与担保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的进行整体把控与丈量后，通过全局尺寸进行网格掌握。

固体最小网格层数担保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），来担保根本及更精准地皮算结果。
设置第一层边界层厚度为0.1，设置三层边界层。

对工业相机全体装置添加密度盒，一方面增加眇小几何特色得网格密度，一方面掌握空气域不划分高密度网格减小网格数量。

图6 固体网格

图7 密度盒设置

图8 间隙网格分布

4.3物理模型设置与边界设置

采取稳态打算，不可压流体，激活能量方程。
粘度模型利用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。
伪瞬态韶光步长1S，固体伪瞬态韶光步长1000S。

打开浮力选型，设置重力方向-X与大小9.8m/S。
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浸染，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

创建紧张热源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 打算结果剖析

通过残差曲线和温度监控曲线综合判断打算收敛。

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，直不雅观理解设备的散激情亲切况。

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

通过仿真打算，判断详细设计的工业相机符合设计预期，并知足了设计需求。
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。

4.总结

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剖析，得到了工业相机在事情状态下的温度分布，以及所关注元器件的结温。
在实物样机验证提高行了仿真验证，有助于缩短设计开拓流程并节省开拓本钱。

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

作者：安世亚太工程师 朱志达