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电子产品热设计所涉及的几大问题

发布时间:2018-03-18 22:36:42来源:浏览次数: 348

  电子设备的小型化趋势正在持续增加所有封装级别的功率密度。设备小型化源于降低成本考虑,这也是许多行业的关键驱动因素,其结果就是设计裕量越来越少,对过度设计的容忍度越来越低。这一点对于产品的物理设计来说尤其准确,因为过度设计会增加产品的重量和体积,很多时候还会增加制造和组装成本,从而增加最终产品的成本。



  有效散热对于电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关重要。


  将部件温度控制在规定范围内是确定某项设计可接受程度的通行标准。散热解决方案可直接增加产品的重量、体积和成本,且不具有任何功能效益,但它们提供的是产品可靠性。如果没有散热系统,大部分电子产品用不了几分钟就会发生故障。


  率芯片漏电流以及由此产生的漏电功耗会随着芯片尺寸缩小而上升;此外,由于漏电与温度密切相关,因而产品热设计就更加重要,正如需要为物联网(IoT)设备保持电量一样。


电子产品热设计领域面临的几个个关键难题:


1.热设计所涉及的工科范围


  电子散热(或称为热设计)其实是一个相当小众的细分领域。二十年之前,热设计通常是企业中的集中设计活动,配有热专家团队,成员主要是具有热传递知识背景的机械工程师,为所有业务部门提供热设计服务。当时,产品的机械部分(包括任何散热解决方案)与电子部分是独立进行设计的。那时的产品开发速度非常缓慢,因为大部分精力仍然放在产品的物理样机研究,用于纠正设计完成后可能出现的问题。但今天,热设计作为一个学科领域可能由负责某个产品设计的跨学科团队中由一个或多个成员来完成(具体视公司或行业情况而定)。



对于那些以确保产品热运行正常为己任的设计师来说,热设计既可以是专职工作,也可以是兼职工作;他们可能是同时涉足产品机械的通才(而非热处理专家),也可能是电子专业工程师。

在企业或业务部门内考虑优化热设计事宜时,应考虑团队成员的专业背景和实际技能。由于其专业背景各异,可能需要各不相同的热设计工具来发挥各自的最大效率。因此,从设计工具的角度考虑,一定要因地制宜,不能一刀切。



2.不同的目标设计环境


为什么当初热设计人员都来自机械或电气专业背景?部分原因在于历史上企业对热设计的一贯看法,以及因此而产生的热设计如何与其他设计活动相结合的问题。


在部分企业中,热设计可能被视为PCB设计流程的一部分,与主要的电子设计并行,尤其是设计用于标准插架的产品时;在此情况下,承担热设计任务的则可能是电子工程师,习惯使用EDA工具,此时,最好为他们提供基于EDA的PCB仿真解决方案套件,这些套件包含有热分析模块,当然还可以包含设计规则检查、电源完整性、信号完整性、三维电磁以及模拟仿真等。


而在另一方面,热设计可能被视为与产品机械设计部分并行,这一点在传统行业(例如汽车行业)较为普遍,因为这些产品中的电子成分一直增长缓慢,直到最近几年。在此情况下,承担热设计任务的则可能是汽车工程师、机械工程师或产品工程师,习惯在企业PLM环境下使用高端主流的MCAD工具集,此时,最好为他们提供直接嵌入在MCAD系统中的热设计解决方案,一来对他们轻车熟路,二来恰好与企业现有工作流程完美契合。



3.研发中产品的类型及产量


我们已经了解工程师和设计环境对于热设计的有效运作会产生怎样的影响了。其实,正在研发中的产品其所属类型及未来产量对热设计同样有影响。


在传统行业中(例如航空、核能、汽车等),CFD软件一直用于分析研究产品的性能,主要原因是产品的设计时间相对较长,对安全性和可靠性的要求要高于成本和性能。这些行业中电子设备的热设计当然也会受到这些因素的影响,关注重点降低元器件温度,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。因此,设计人员花费大量设计精力用于增加散热系统的冗余,以至于如果风扇发生故障,系统仍能在规定范围内保持正常运行,而且更换风扇可以在系统运行状态下进行。


而对于今天的高量产消费类电子产品来说,成本和性能则成为主要决定因素。随着更新换代的步伐不断加快,产品的设计周期也被大量压缩,从概念设计到最后投产仅用数个月。尽量降低产品单位成本成为设计活动的主要目标,这就需要对设计空间进行仔细研究探索,确保选择最具成本效益的散热解决方案,选择时要考虑来自设计各个方面的影响,例如封装选择、PCB布局、电路板架构以及围护设计(包括风扇尺寸、位置、通风口定位等)。


这种独特而又具压倒性的要求(快速分析与设计空间探索)引发了市场对电子设备散热专用CFD软件的研发热潮,这一潮流从上世纪80一直持续至今。这些解决方案将不同的CFD技术应用于传统的贴体式CFD程序,从而实现快速生成第一结果,而后则以更快的速度进行设计迭代。


这种技术的一大关键优势是,对热模型的任何修改,包括几何尺寸更改、网格划分、解决方案以及对结果的后期处理等,可全部实现自动处理。这样就提供了一个其他无可匹敌的功能,既能够继续探索设计空间优化,同时又能释放宝贵的工程资源用于价值更高的活动。


面对上述挑战,今天的电子产品热设计市场已发展成诸多热仿真软件共存的局面。将热设计交由专业的热设计工程师来完成,这将是使产品保持竞争力的一种保证和发展趋势。