通信产品 Flotherm 散热仿真详解
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Zoom-In功能模块使用步骤：
1、在建立好的高级阻力和槽位Region模型后，初始化系统模型并计算；
2、在槽位Slot3创立的Region处，点击右键并Creat Zoom In，并生成下图的 模型。
www.hikeytech.com 16
Zoom-In模型生成
从左图中可以看出，当使用 Zoom-In功能后，除了在我们 要求定义的Slot3槽位的Region 以及系统外围架构还存在之 外，其他的部分系统模型都 给去掉了。 从图中可以看出，当使用 Zoom-In功能后，系统的模型 大大简化了，系统网格也大 大减少，同时该槽位单板的 所有热和流体流动物理边界 条件都通过Zoom-In生成了。
www.hikeytech.com
10
槽位单板数值风洞建立
Measured System PCB
45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00
Slot Impedance Curve
y = 2.0303x2 + 1.1909x
热量，以满足模块正常的工作条件。
风道的设计
冷风从箱体底部右侧的进风口通过 空气过滤器，以大于3m/s的风速流 经组件模块之间的间隙，与组件壳 体进行热交换后经箱体左端的风扇、 空气过滤器、从箱体底部左侧出风 口流出。设计时箱体底部的出风口 大于箱体底部的进风口，箱体底部 的进风口的有效面积不小于0.015m2。 设计箱体时，对风道的设计要考虑 周到，防止风向短路。
FloTHERM——通讯电子产品 散热仿真实例详解
主要内容
FloTHERM软件功能简介
应用案例1—通讯局端插箱热设计
应用案例2—车载雷达户外接收机箱设计
应用案例3 —机柜散热设计
www.hikeytech.com
2
FloTHERM简介
• FloTHERM 作为全球第一款专门针对电子器件 /设备热设计 而开发的仿真软件，可以实现从元器件级、 PCB板和模块 级、系统级到环境级的热分析。 • FloTHERM软件自1989年推出以来就一直居于市场领导地位 （市场占有率高达 70%）并引领该行业的技术发展。其研 发人员是全球最早开始研究 CFD理论的科研人员，也是最 早一批将传统的CFD仿真技术工程化的技术先驱。
网格的划分以及系统单板芯片功耗的准确性，如果这
两方面做到了，软件仿真出来的数据与实际误差是可
以在接受范围之类。 本示例的重点是在于对热仿真分析软件FloTHERM中比 较重要的功能模块在通讯产品上的散热设计和应用说明。
www.hikeytech.com 20
结论
在电子设备热设计中，传统的经验评估以及无法及时满足产品开发的速 度和市场客户的需求。而借助于CFD软件来仿真设计产品的散热，就会避 免因为传统方法中因经验不足，数据不充分所导致的误差以及繁琐的解 析计算过程。这种基于流体传热的基本动量守恒定理和质量守恒定理， 利用成熟的数值计算方法，只要网格的大小、数量和布局合理，就会与 实际得到非常接近的计算结果。 FloTHERM软件提供上述的数值风洞、高级阻力模型、Command Center 优化参数以及最新的Zoom-In功能，无疑给我们热设计工程师提供非常快 速解决和评估产品散热能力的一种设计手段和思路，这大大的节省了产 品开发的时间周期，也会为产品赢得了市场上的可靠性优势，最重要的 是如果后续产品的升级和产品功耗的增大，而FloTHERM软件的这些功能 就会为热设计工程师提供快速评估产品的系统散热能力和单板芯片散热 瓶颈，从而更好的帮助产品提高在市场上的占有率。
www.hikeytech.com 12
FloTHERM高级阻力模型的应用
一般采用体积阻力模型，计算公式如左图所 示。根据简化后的流体伯努利方程的计算公 式如下图所示，将得到的槽位单板阻力特性 曲线的一次项和二次项系数带入到下图中的 计算公式，并根据产品所处环境温度下的空 气参数计算高级流体阻力模型中的系数，可 以得出FloTHERM软件中的高级流体阻力模型 中的系数A和B。
www.hikeytech.com 21
主要内容
FloTHERM软件功能简介
应用案例1—通讯局端插箱热设计
应用案例2—车载雷达户外接收机箱设计
应用案例3 —机柜散热设计
www.hikeytech.com
22
车载雷达户外接收机箱设计
机箱在运输状态下的轴测图
该机箱是用于车载雷达上安装接收电子模块 并保证其正常工作的一种结构件。机箱安装 在天线罩外，工作时接收机随天线罩一起被 举高XX米。根据技术指标的要求，塔上设备 要求空间尺寸小，重量轻，满足户外使用环 境：工作温度-40℃～ +55℃（室外）；能防 雨、防盐雾和灰尘。这对接收机从体积、重 量、线缆布局、户外防雨、防盐雾灰尘到接 收机本身的散热以及可维修性等方面都有严 格的要求。
http://webparts.mentor.com/flotherm/support/supp/webparts/advanced_resistance/
www.hikeytech.com 14
Zoom-In功能模块在系统槽位上的设计与应用
当系统槽位的单板简化阻力模型建立好后，应该把相应的体积阻力模型放 到系统槽位，同时给各阻力模型赋予一个与实际热耗相同的体积热源，系 统模型如图所示。
静压（DELTA Pa）
系统单板阻力特性 多项式 (系统单板阻 力特性)
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
风速（m/s）
单板槽位风道阻力特性曲线
在这里需要说明的是：由于我们只需获得单板的流动阻力特性，建模时只 需设定设备的结构参数，无需设定物理参数，如导热系数、密度、比热等。 将计算模型设定为Flow Only。这样软件在计算过程中只计算动量守恒和质 量守恒方程，无需计算能量守恒方程，大大地提高了计算速度，同时也避 免了热特性对流场的影响导致阻力特性变化。
Zoom-In功能生成后的系统模型
这个功能也可以在FloTHERM软件中的Cut-Out功能模块来实现，在这里就不 对Cut-Out功能进行说明。然后，我们在Zoom-In环境下建立单板的详细芯片 模型，系统会在很短的时间内，把我们想要的结果计算输出，此时能够给 热设计工程师一个很细化的单板散热评估和风险评估分析。
www.hikeytech.com 11
FloTHERM高级阻力模型的应用
FloTHERM中高级阻力模型参数
FloTHERM软件中的流体高级阻力模型需要设置的参数如图所示，在 使用这个模型要解决的关键问题是如何把实际测试的阻力曲线转换成 软件所需要的参数。一般情况下我们可以用一个二次二项函数来描叙 实际测试的阻力曲线。此时，我们取 Index=0、入口处开孔率Free Area Ratio=1、 特征长度 Length Scale=1；现在需要计算的只有A、B这 两个系数。
www.hikeytech.com
3
FloTHERM简介
元器件级：芯片封装的散热分析
板级和模块级：PCB板的热设计和散热 模块的设计优化
系统级：机箱、机柜等散热 方案优化及散热器选型
环境级：机房、外太空等大环境的热分析
www.hikeytech.com 4
FloTHERM简介
www.hikeytech.com
包括多种设计考虑：
1. 2. 3. 4. 5. 机箱内、外走线的设计 防雨、防尘、防盐雾的设计 电磁屏蔽设计 机箱的维修性能 机箱的热分析
机箱在运输状态下的轴测图
www.hikeytech.com 24
机箱的热分析
热分析主要考虑机箱的散热问题 散热设计主要是风道的设计及特定的进、出风口条件下能带走的最大
确定整个设备、单板槽位以及模块电源的阻力特征曲线和整机系统风道 特性，以及快速评估单板以及整机系统是否满足市场客户提出的散热需 求就成为电子热设计的一大难题。
FloTHERM中相关功能和模块：
Wind Tunnel （数值风洞模拟）
Advanced Resistance（高级阻力模型）
Command Center（参数优化功能） Zoom-In功能模块（快速仿真计算评估）
南京电子技术研究所
www.hikeytech.com 23
机箱的结构及组成
机箱整体采用了框架式结构，主要由箱体、导板、风机、空气过滤器、前后门板等 构成。箱体框架与四周的蒙皮一体构成箱体基本外形，箱体底部设计有进风口和出 风口，另有截止波导窗安装位置；导板被固定在箱体框架上；散热过滤器分别固定 在箱体上进风口和出风口位置；风机固定于插板上，插在箱体框架的一侧，被锁紧 机构固定于箱体上；前、后门板通过铰链固定于箱体上，另一侧用收缩搭扣与锁钩 配合，将门板压紧在柜体上而不需其他紧固方式；门板及箱体上特殊配合结构使系 统防雨水。组件模块沿导板槽插入箱内，通过锁紧机构进行固定。
用户板布局图
www.hikeytech.com
单板数值风洞模型
9wenku.baidu.com
槽位单板数值风洞建立
之后把单板的高级阻力模型应用到系统的每一个槽位。同时可以利用软件 中的CC（Command Center）的参数优化功能来一次性得到数个风量不同下 的风道阻力，从而得到设备或者槽位的风道阻力特性曲线。
槽位单板风道阻力及对应的风量和风速计算结果
中兴通讯股份有限公司
www.hikeytech.com 7
通讯局端插箱
通讯局端插箱结构
www.hikeytech.com
局端插箱的强迫风冷
8
槽位单板数值风洞建立
插箱中的用户板布局如左下图所示, 由于系统槽位比较多，为了减少软件仿 真计算时间以及设计反复带来的浪费，我们特地对系统槽位单板进行一个数 值风洞的模拟，如右下图所示。
系统插箱仿真模型Zoom-In Region之前的模型
www.hikeytech.com 15
Zoom-In模型生成
本系统插箱是在第三槽位做一个体积Region，当Region建立好后，就可以 使用FloTHERM软件中的Zoom In 功能来分析生成一个带有局部环境参数的 Zoom-In模型。为了得到高质量的Zoom-In环境模型，在这里需要注意的是： 1. 系统Modeling必需带有以下参数：温度、压力、速度以及Heat Fluxes； 2. Zoom-In的Region边界不要接近系统网格和局部网格边缘； 3. 二维阻力模型和任何打孔模型的网格约束都不能与Zoom-In边缘接近； 4. 网格的划分应遵守CFD软件的一般规则：防止奇异网格的产生。 注意网格的数量和计算的精度并不是成线性关系，在保证必要精度的前提 下，网格数量尽量少，以提高计算速度。
流动阻力压降的计算公式
计算FloTHERM软件中的高级阻力模型的A、B系数
www.hikeytech.com 13
FloTHERM高级阻力模型的应用
槽位单板高级阻力模型参数设置
在这里我们构建高级阻力模型的方式是用一些基本理论公式和表格来计 算得出。而在之前FloTHERM软件在其网站上也提供了计算高级流阻系数 的宏，只要把风阻曲线的数据输入，也可以直接得到阻力系数，并产生 一个PDML模型下载使用。
www.hikeytech.com 18
仿真结果对比
单板模型在原系统的仿真结果
www.hikeytech.com
单板模型在Zoom-In系统的仿真结果
19
与实验结果对比
由于产品属于公司保密性质，没有把实际产品的测试 数据写出来做一个对比分析。
最后仿真数据与实际测试的数据误差，主要在于系统
www.hikeytech.com 17
Zoom-In模型生成
为了对比我们Zoom-In功能模块生成的模型与之前直接放在原来整机系统模 型对应的第三槽位电路板PCB板上的芯片温度，特地把详细PCB版芯片模型也 建到如下图中的系统模型。
Zoom-In系统的详细单板模型 原系统模型中Slot3槽位布局单板详细芯片模型
5
主要内容
FloTHERM软件功能简介
应用案例1—通讯局端插箱热设计
应用案例2—车载雷达户外接收机箱设计
应用案例3 —机柜散热设计
www.hikeytech.com
6
FloTHERM在通讯局端插箱热设计中的应用
为了避免整个热设计工程中的反复，降低设计成本，缩短设 计周期，电子散热设计通常与电路设计和结构设计同步进行。 一部分产品的散热采取了强迫风冷形式的散热
1、在建立好的高级阻力和槽位Region模型后，初始化系统模型并计算；
2、在槽位Slot3创立的Region处，点击右键并Creat Zoom In，并生成下图的 模型。
www.hikeytech.com 16
Zoom-In模型生成
从左图中可以看出，当使用 Zoom-In功能后，除了在我们 要求定义的Slot3槽位的Region 以及系统外围架构还存在之 外，其他的部分系统模型都 给去掉了。 从图中可以看出，当使用 Zoom-In功能后，系统的模型 大大简化了，系统网格也大 大减少，同时该槽位单板的 所有热和流体流动物理边界 条件都通过Zoom-In生成了。
www.hikeytech.com
10
槽位单板数值风洞建立
Measured System PCB
45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00
Slot Impedance Curve
y = 2.0303x2 + 1.1909x
热量，以满足模块正常的工作条件。
风道的设计
冷风从箱体底部右侧的进风口通过 空气过滤器，以大于3m/s的风速流 经组件模块之间的间隙，与组件壳 体进行热交换后经箱体左端的风扇、 空气过滤器、从箱体底部左侧出风 口流出。设计时箱体底部的出风口 大于箱体底部的进风口，箱体底部 的进风口的有效面积不小于0.015m2。 设计箱体时，对风道的设计要考虑 周到，防止风向短路。
FloTHERM——通讯电子产品 散热仿真实例详解
主要内容
FloTHERM软件功能简介
应用案例1—通讯局端插箱热设计
应用案例2—车载雷达户外接收机箱设计
应用案例3 —机柜散热设计
www.hikeytech.com
2
FloTHERM简介
• FloTHERM 作为全球第一款专门针对电子器件 /设备热设计 而开发的仿真软件，可以实现从元器件级、 PCB板和模块 级、系统级到环境级的热分析。 • FloTHERM软件自1989年推出以来就一直居于市场领导地位 （市场占有率高达 70%）并引领该行业的技术发展。其研 发人员是全球最早开始研究 CFD理论的科研人员，也是最 早一批将传统的CFD仿真技术工程化的技术先驱。
网格的划分以及系统单板芯片功耗的准确性，如果这
两方面做到了，软件仿真出来的数据与实际误差是可
以在接受范围之类。 本示例的重点是在于对热仿真分析软件FloTHERM中比 较重要的功能模块在通讯产品上的散热设计和应用说明。
www.hikeytech.com 20
结论
在电子设备热设计中，传统的经验评估以及无法及时满足产品开发的速 度和市场客户的需求。而借助于CFD软件来仿真设计产品的散热，就会避 免因为传统方法中因经验不足，数据不充分所导致的误差以及繁琐的解 析计算过程。这种基于流体传热的基本动量守恒定理和质量守恒定理， 利用成熟的数值计算方法，只要网格的大小、数量和布局合理，就会与 实际得到非常接近的计算结果。 FloTHERM软件提供上述的数值风洞、高级阻力模型、Command Center 优化参数以及最新的Zoom-In功能，无疑给我们热设计工程师提供非常快 速解决和评估产品散热能力的一种设计手段和思路，这大大的节省了产 品开发的时间周期，也会为产品赢得了市场上的可靠性优势，最重要的 是如果后续产品的升级和产品功耗的增大，而FloTHERM软件的这些功能 就会为热设计工程师提供快速评估产品的系统散热能力和单板芯片散热 瓶颈，从而更好的帮助产品提高在市场上的占有率。
www.hikeytech.com 12
FloTHERM高级阻力模型的应用
一般采用体积阻力模型，计算公式如左图所 示。根据简化后的流体伯努利方程的计算公 式如下图所示，将得到的槽位单板阻力特性 曲线的一次项和二次项系数带入到下图中的 计算公式，并根据产品所处环境温度下的空 气参数计算高级流体阻力模型中的系数，可 以得出FloTHERM软件中的高级流体阻力模型 中的系数A和B。
www.hikeytech.com 21
主要内容
FloTHERM软件功能简介
应用案例1—通讯局端插箱热设计
应用案例2—车载雷达户外接收机箱设计
应用案例3 —机柜散热设计
www.hikeytech.com
22
车载雷达户外接收机箱设计
机箱在运输状态下的轴测图
该机箱是用于车载雷达上安装接收电子模块 并保证其正常工作的一种结构件。机箱安装 在天线罩外，工作时接收机随天线罩一起被 举高XX米。根据技术指标的要求，塔上设备 要求空间尺寸小，重量轻，满足户外使用环 境：工作温度-40℃～ +55℃（室外）；能防 雨、防盐雾和灰尘。这对接收机从体积、重 量、线缆布局、户外防雨、防盐雾灰尘到接 收机本身的散热以及可维修性等方面都有严 格的要求。
http://webparts.mentor.com/flotherm/support/supp/webparts/advanced_resistance/
www.hikeytech.com 14
Zoom-In功能模块在系统槽位上的设计与应用
当系统槽位的单板简化阻力模型建立好后，应该把相应的体积阻力模型放 到系统槽位，同时给各阻力模型赋予一个与实际热耗相同的体积热源，系 统模型如图所示。
静压（DELTA Pa）
系统单板阻力特性 多项式 (系统单板阻 力特性)
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
风速（m/s）
单板槽位风道阻力特性曲线
在这里需要说明的是：由于我们只需获得单板的流动阻力特性，建模时只 需设定设备的结构参数，无需设定物理参数，如导热系数、密度、比热等。 将计算模型设定为Flow Only。这样软件在计算过程中只计算动量守恒和质 量守恒方程，无需计算能量守恒方程，大大地提高了计算速度，同时也避 免了热特性对流场的影响导致阻力特性变化。
Zoom-In功能生成后的系统模型
这个功能也可以在FloTHERM软件中的Cut-Out功能模块来实现，在这里就不 对Cut-Out功能进行说明。然后，我们在Zoom-In环境下建立单板的详细芯片 模型，系统会在很短的时间内，把我们想要的结果计算输出，此时能够给 热设计工程师一个很细化的单板散热评估和风险评估分析。
www.hikeytech.com 11
FloTHERM高级阻力模型的应用
FloTHERM中高级阻力模型参数
FloTHERM软件中的流体高级阻力模型需要设置的参数如图所示，在 使用这个模型要解决的关键问题是如何把实际测试的阻力曲线转换成 软件所需要的参数。一般情况下我们可以用一个二次二项函数来描叙 实际测试的阻力曲线。此时，我们取 Index=0、入口处开孔率Free Area Ratio=1、 特征长度 Length Scale=1；现在需要计算的只有A、B这 两个系数。
www.hikeytech.com
3
FloTHERM简介
元器件级：芯片封装的散热分析
板级和模块级：PCB板的热设计和散热 模块的设计优化
系统级：机箱、机柜等散热 方案优化及散热器选型
环境级：机房、外太空等大环境的热分析
www.hikeytech.com 4
FloTHERM简介
www.hikeytech.com
包括多种设计考虑：
1. 2. 3. 4. 5. 机箱内、外走线的设计 防雨、防尘、防盐雾的设计 电磁屏蔽设计 机箱的维修性能 机箱的热分析
机箱在运输状态下的轴测图
www.hikeytech.com 24
机箱的热分析
热分析主要考虑机箱的散热问题 散热设计主要是风道的设计及特定的进、出风口条件下能带走的最大
确定整个设备、单板槽位以及模块电源的阻力特征曲线和整机系统风道 特性，以及快速评估单板以及整机系统是否满足市场客户提出的散热需 求就成为电子热设计的一大难题。
FloTHERM中相关功能和模块：
Wind Tunnel （数值风洞模拟）
Advanced Resistance（高级阻力模型）
Command Center（参数优化功能） Zoom-In功能模块（快速仿真计算评估）
南京电子技术研究所
www.hikeytech.com 23
机箱的结构及组成
机箱整体采用了框架式结构，主要由箱体、导板、风机、空气过滤器、前后门板等 构成。箱体框架与四周的蒙皮一体构成箱体基本外形，箱体底部设计有进风口和出 风口，另有截止波导窗安装位置；导板被固定在箱体框架上；散热过滤器分别固定 在箱体上进风口和出风口位置；风机固定于插板上，插在箱体框架的一侧，被锁紧 机构固定于箱体上；前、后门板通过铰链固定于箱体上，另一侧用收缩搭扣与锁钩 配合，将门板压紧在柜体上而不需其他紧固方式；门板及箱体上特殊配合结构使系 统防雨水。组件模块沿导板槽插入箱内，通过锁紧机构进行固定。
用户板布局图
www.hikeytech.com
单板数值风洞模型
9wenku.baidu.com
槽位单板数值风洞建立
之后把单板的高级阻力模型应用到系统的每一个槽位。同时可以利用软件 中的CC（Command Center）的参数优化功能来一次性得到数个风量不同下 的风道阻力，从而得到设备或者槽位的风道阻力特性曲线。
槽位单板风道阻力及对应的风量和风速计算结果
中兴通讯股份有限公司
www.hikeytech.com 7
通讯局端插箱
通讯局端插箱结构
www.hikeytech.com
局端插箱的强迫风冷
8
槽位单板数值风洞建立
插箱中的用户板布局如左下图所示, 由于系统槽位比较多，为了减少软件仿 真计算时间以及设计反复带来的浪费，我们特地对系统槽位单板进行一个数 值风洞的模拟，如右下图所示。
系统插箱仿真模型Zoom-In Region之前的模型
www.hikeytech.com 15
Zoom-In模型生成
本系统插箱是在第三槽位做一个体积Region，当Region建立好后，就可以 使用FloTHERM软件中的Zoom In 功能来分析生成一个带有局部环境参数的 Zoom-In模型。为了得到高质量的Zoom-In环境模型，在这里需要注意的是： 1. 系统Modeling必需带有以下参数：温度、压力、速度以及Heat Fluxes； 2. Zoom-In的Region边界不要接近系统网格和局部网格边缘； 3. 二维阻力模型和任何打孔模型的网格约束都不能与Zoom-In边缘接近； 4. 网格的划分应遵守CFD软件的一般规则：防止奇异网格的产生。 注意网格的数量和计算的精度并不是成线性关系，在保证必要精度的前提 下，网格数量尽量少，以提高计算速度。
流动阻力压降的计算公式
计算FloTHERM软件中的高级阻力模型的A、B系数
www.hikeytech.com 13
FloTHERM高级阻力模型的应用
槽位单板高级阻力模型参数设置
在这里我们构建高级阻力模型的方式是用一些基本理论公式和表格来计 算得出。而在之前FloTHERM软件在其网站上也提供了计算高级流阻系数 的宏，只要把风阻曲线的数据输入，也可以直接得到阻力系数，并产生 一个PDML模型下载使用。
www.hikeytech.com 18
仿真结果对比
单板模型在原系统的仿真结果
www.hikeytech.com
单板模型在Zoom-In系统的仿真结果
19
与实验结果对比
由于产品属于公司保密性质，没有把实际产品的测试 数据写出来做一个对比分析。
最后仿真数据与实际测试的数据误差，主要在于系统
www.hikeytech.com 17
Zoom-In模型生成
为了对比我们Zoom-In功能模块生成的模型与之前直接放在原来整机系统模 型对应的第三槽位电路板PCB板上的芯片温度，特地把详细PCB版芯片模型也 建到如下图中的系统模型。
Zoom-In系统的详细单板模型 原系统模型中Slot3槽位布局单板详细芯片模型
5
主要内容
FloTHERM软件功能简介
应用案例1—通讯局端插箱热设计
应用案例2—车载雷达户外接收机箱设计
应用案例3 —机柜散热设计
www.hikeytech.com
6
FloTHERM在通讯局端插箱热设计中的应用
为了避免整个热设计工程中的反复，降低设计成本，缩短设 计周期，电子散热设计通常与电路设计和结构设计同步进行。 一部分产品的散热采取了强迫风冷形式的散热