Icepak在中興通訊熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
單樂生 武強(qiáng) 徐娟 李波
深圳市中興通訊股份有限公司上海第一研究所 200231
摘 要：通訊產(chǎn)品散熱分析與設(shè)計(jì)是其可靠性設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，本文結(jié)合中興通訊接入事業(yè)部的散熱設(shè)計(jì)工作，著重討論Fluent公司熱控分析軟件Icepak在公司通訊產(chǎn)品研發(fā)過程中散熱設(shè)計(jì)、分析、仿真與測試等方面的應(yīng)用情況，并對幾個(gè)具體案例作了簡要介紹。
關(guān)鍵詞：可靠性 散熱設(shè)計(jì) 散熱分析 散熱仿真 Icepak
The Application of Icepak in the Thermal Design in ZTE Corporation
Shan Lesheng Wu Qiang Xu Juan Li Bo
Shanghai No.1 Research Institute, Shenzhen Zhongxing Telecom Co., Ltd. 200231
Abstract: Thermal analysis of telecommunication products has been carried out using a commercial computational fluid dynamics (CFD) code, Icepak, in this paper and several examples from ZTE Corporation are solved for explaining and demonstrating the application of thermal design, analysis and simulation, which is very important to the improvement of a system and package design for better thermal performance.
Keywords: Reliability, Thermal Design, Thermal Analysis, Thermal Simulation, Icepak
一、前言
電子技術(shù)的迅速發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使人們對電子產(chǎn)品的可靠性非常關(guān)注，而熱環(huán)境就是影響電子產(chǎn)品性能和可靠性的重要因素之一，統(tǒng)計(jì)資料表明：電子原器件的可靠性和其工作溫度之間存在一種可預(yù)測的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)電子設(shè)備工作時(shí)，其輸出功率只占設(shè)備輸入功率的一部分，而功率損失一般都以熱能形式散發(fā)出來。事實(shí)上，電子設(shè)備內(nèi)部任何具有電阻的載流元器件都可以看作是一個(gè)熱源。此外，由于電子設(shè)備組裝工藝、單片集成工藝、多層PCB板工藝的發(fā)展使電子設(shè)備的熱控制問題成為制約其可靠性的難點(diǎn)之一。
中興通訊是國內(nèi)最大的通信設(shè)備制造業(yè)上市公司，是中國通信設(shè)備制造業(yè)的開拓者，擁有移動(dòng)、數(shù)據(jù)、光通信以及交換、接入、視訊等全系列通信產(chǎn)品，具備通信網(wǎng)建設(shè)、改造與優(yōu)化一攬子方案解決能力。移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)通信、光通信是當(dāng)前中興通訊重點(diǎn)發(fā)展的三大領(lǐng)域。為全面提高產(chǎn)品可靠性，公司從2000年開始在熱設(shè)計(jì)中推廣使用CAE輔助分析軟件，以期提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。
二、熱設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)
針對電子設(shè)備熱產(chǎn)生機(jī)理與傳播方式，必須對電子設(shè)備的熱場分布進(jìn)行分析研究，采用合理的熱設(shè)計(jì)方法，保證電子設(shè)備在允許的溫度范圍內(nèi)工作。從使用對象來說，電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)建模分析軟件可以分為通用和專用兩種，后者更具體地面向電子元器件、多芯片模塊、印制板、子系統(tǒng)以及整機(jī)系統(tǒng)。電子冷卻分析軟件通過模型建立、模型求解和結(jié)果解釋三方面將電子產(chǎn)品的熱效應(yīng)分析放在了設(shè)計(jì)階段，以期解決如下問題：優(yōu)化電子系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵器件、部件的參數(shù)位置；對電子系統(tǒng)強(qiáng)迫對流和自然對流冷方案進(jìn)行優(yōu)化。電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)仿真軟件在界面、精度、可靠性、魯棒性、速度等方面都已成熟。
目前，在電子冷卻方面比較突出的兩個(gè)產(chǎn)品是Flotherm和Icepak，與前者相比，Icepak具有如下特點(diǎn)：
采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠針對復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，有多種網(wǎng)格生成方法，能夠滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中幾何形狀越來越復(fù)雜的要求。
采用FLUENT5的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和解算方法，采用了多種高分辨率的格式，如TVD格式，保證了工程問題的計(jì)算精度。
提供豐富的物理模型，可以模擬自然對流、強(qiáng)迫對流和混合對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射、流-固的耦合換熱、層流、湍流、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)等流動(dòng)現(xiàn)象。
Icepak和Flotherm軟件都是面向熱產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析工程師的軟件，采用熱設(shè)計(jì)分析所專用的機(jī)柜、風(fēng)扇、印刷電路板、阻尼、通風(fēng)口等模型。建模過程快捷、網(wǎng)格生成與計(jì)算可以自動(dòng)進(jìn)行。
下面是筆者采用Icepak軟件進(jìn)行分析的幾個(gè)實(shí)例，它們所采用的軟硬件平臺(tái)如下：雙PIII 1.4 XEON，1G RAM，36G SCSI硬盤，Win2k+Sp2，Icepak 3.2。
三、EDSL插箱散熱設(shè)計(jì)與分析
EDSL插箱采用12U高度的19英寸插箱，可安裝于19英寸機(jī)架中，亦可單獨(dú)使用。整個(gè)插箱分為三層結(jié)構(gòu)（主要由散熱方式?jīng)Q定），從上至下分別為：風(fēng)扇層，單板層和導(dǎo)風(fēng)層。其中單板層的高度大概為9U，為豎向放置。如此可形成單板間的通風(fēng)道，保證單板表面有冷風(fēng)流過，帶走熱量。應(yīng)所需插拔力較大，單板面板采用雙扳手裝置，插緊后另有螺釘鎖緊面板和機(jī)框。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
系統(tǒng)滿配置時(shí)，共12個(gè)線路板（發(fā)熱功率約為45W），整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱功率共約為500W，系統(tǒng)溫升要求控制在10度之內(nèi)，因此單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問題，需要強(qiáng)迫空氣冷卻。
（1）采用強(qiáng)迫空氣制冷時(shí)，從機(jī)箱中排走的熱量可采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
（2）空氣的質(zhì)量流量采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
（3）干燥空氣的密度采用如下公式計(jì)算：
因此，根據(jù)單板分布情況，本系統(tǒng)采用抽風(fēng)方式，并選用四個(gè)離心風(fēng)機(jī)，進(jìn)口冷風(fēng)，后上熱風(fēng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用Icepak對插箱進(jìn)行系統(tǒng)仿真，在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上采用Zoom-In技術(shù)對具體單板作局部分析，這樣可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。
（4）系統(tǒng)分析模型如圖2，圖3，圖4所示，單板采用功率均勻分布，導(dǎo)熱系數(shù)取25 ；EMC屏蔽板導(dǎo)熱系數(shù)取50 ；離心風(fēng)機(jī)用兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)模擬，按實(shí)際尺寸放置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，風(fēng)壓曲線均與離心風(fēng)機(jī)相同。
（5）Zoom-In模型如圖5所示，計(jì)算所需邊界條件由系統(tǒng)分析結(jié)果引入。通過觀察和分析溫度云圖，單板上芯片溫度滿足要求，系統(tǒng)風(fēng)阻分布合理。
四、室外型光纖轉(zhuǎn)接機(jī)箱的環(huán)境分析與測試
（1）機(jī)器配置：機(jī)箱內(nèi)部配置一臺(tái)快速以太網(wǎng)交換機(jī)，一個(gè)入口，可以負(fù)載23個(gè)用戶端口，此外還可以增加一個(gè)16或24口的HUB，可增加15或23個(gè)出口，即系統(tǒng)共可配接37或45個(gè)用戶端；機(jī)箱內(nèi)另配有一只光纖轉(zhuǎn)接模塊，用于將光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；斷路器主要用于過壓保護(hù)、過流保護(hù)、雷擊斷路以及電源開關(guān)；箱內(nèi)另安裝一只容纖盤用于卷繞多余尾纖，如圖6所示。
（2）仿真模擬：由于以太網(wǎng)交換機(jī)和機(jī)箱都是OEM產(chǎn)品，機(jī)箱外殼材質(zhì)為SMC模塑料并且系統(tǒng)密封，所以模擬分析所關(guān)心的是機(jī)箱內(nèi)部溫度分布，看看機(jī)箱內(nèi)部溫度是否超過以太網(wǎng)交換機(jī)正常工作所能夠忍受的最高環(huán)境溫度。以太網(wǎng)交換機(jī)的發(fā)熱功率為20W左右，Icepak仿真模型及計(jì)算結(jié)果如圖7所示。
（3）整機(jī)室外測試
整機(jī)測試的配置方式為點(diǎn)到點(diǎn)全天連續(xù)工作，進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，圖8為測試連接配置圖，由負(fù)載172.24.56.4連接到機(jī)箱，再由機(jī)箱連接到負(fù)載172.24.56.5，然后開機(jī)運(yùn)行PING命令，查看兩臺(tái)PC機(jī)的連接狀況，以其信號(hào)丟失率為測試指標(biāo)。
空氣溫度和機(jī)箱內(nèi)平均溫度變化狀態(tài)圖如圖9所示，系列1為空氣溫度，系列2為機(jī)箱內(nèi)平均空氣溫度。
從圖中可以看出，大氣溫度較高，機(jī)箱內(nèi)溫度隨大氣溫度升高而上升，機(jī)箱內(nèi)外溫差約為10到12攝氏度。大氣溫度變化較大時(shí)，機(jī)箱內(nèi)溫度變化比較平緩。表一為系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送情況，從三天的測試結(jié)果看，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)誤碼，運(yùn)行穩(wěn)定。
五、ADSL機(jī)柜整機(jī)系統(tǒng)熱分析
ADSL機(jī)柜包含兩個(gè)相同的插箱，頂部四個(gè)風(fēng)扇抽風(fēng)，每個(gè)插箱底部6個(gè)風(fēng)扇吹風(fēng)，機(jī)柜前面進(jìn)風(fēng)，后面出風(fēng)，總發(fā)熱功率900W左右。通過Icepak的模擬分析，我們對系統(tǒng)進(jìn)行了一些改進(jìn)：增加隔板，調(diào)整風(fēng)扇位置，使系統(tǒng)的散熱性有了提高。如下圖所示。
六、結(jié)論
通過使用Icepak對通訊產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)、熱測試和熱仿真，使我們對整機(jī)、單板、封裝等層次的散熱能力有了一個(gè)直觀明確地了解，特別是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助分析加快了工作速度并能考慮更高層次的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，即縮短了分析計(jì)算時(shí)間，又降低分析費(fèi)用，提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，使產(chǎn)品能夠高質(zhì)量、高性能、短周期地進(jìn)入市場。
參考文獻(xiàn)：
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Icepak資料下載: FLUENT第一屆中國用戶大會(huì)論文集33-40.pdf
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