一种电子设备机箱热设计及仿真分析

0引言

当前,随着我国制程工艺的不断进步,各类芯片等核心器件的性能与集成度得到了显著提升。同时,各种电子设备微型化、轻量化趋势显著,热流密度增加和温度分布不均匀现象日益明显,这就对产品热设计提出了更高的要求^[1]。

某电子设备可提供统一管理业务监管、关键信息采集评估、互联网络安全防护等功能,主要由主板模块、电源模块构成,各模块PCB上分布着CPU、内存、晶振、水桶电容等元器件。该设备工作过程中,内部电子元件的功耗会产生大量热量,若这些热量无法及时散出,设备内部温度将急剧升高,进而影响设备的可靠性和稳定性。对于不同类型的电子元器件,温度造成的影响不同。例如,芯片会由于热应力的长时间积累而产生裂纹甚至断裂,电池、电容等液态介质的元器件可能由于高温而炸裂。此外,温度还会影响元器件与环境发生的电化学反应的速率,导致元器件腐蚀、寿命缩短、性能削弱。总之,温度是影响电子设备质量的关键因素之一^[2]。因此,有效管理电子

设备的散热,确保其能在各种工况下稳定工作至关重要。本文基于某电子设备设计要求开展结构热控一体化设计,借助仿真和试验方法进行热设计验证。结果表明,设计满足要求,设备运行时元器件温度稳定,可对风冷机箱的热设计过程提供一定的参考。

1 设备结构及功耗分布

1.1 结构及风道设计

按照2U机箱尺寸进行结构设计,设备组成如图1(a)所示,主要由主板模块、电源模块和背板模块等组成。其中,主板和电源采用模块化设计以便维修或更换,可借助导轨插入背板模块实现硬件互联。不同工况下,主板体积功耗密度为0.043~0.125 W/cm³,根据经验^[3]预估采用强迫风冷进行散热。机箱风道如图1(b)所示,针对箱体内部结构紧凑、风阻较大的特点,选用抽风式设计,结合左进右出的风向要求,将风扇布置在机箱右侧。

1.2 热源分析

热耗分析是热仿真基础,可对关键器件温升进行预测。设备运行功耗来源为两个主板模块和一个AC/DC电源模块。主板模块功耗主要来自CPU、内存等芯片,其以热能的形式耗散。其中CPU功耗会随负荷而波动,持续运行时,主板平均功耗分布如图2所示,共计43.1 W。根据手册AC/DC电源模块转换效率约为90%,热耗约为15 W,整机平均热耗约101 W。

1.3 风量计算

根据热平衡方程,确定空气流量可采用下式:

   (1)

式中:Q为空气流量;P为系统热耗;ΔT为风扇出入口温差;ρ为空气体积质量;C_P为空气定压比热。

取空气密度1.06 kg/m³,比热容1 017 J/(kg.℃),机箱进出口空气温升取10℃,整机平均功耗101 W,计算此时系统需要风扇提供的动作风量约为20 CFM(Cubic Feetper Minute,立方英尺每分钟;1CFM=1ft³/min)。考虑系统阻力,一般工程上按1.5倍预估风扇应提供最大风量,约为30 CFM,结合2U机箱高度限制,初步选用苏讯N6025系列轴流风扇。

2仿真分析

基于有限体积法,建立设备热仿真模型,探究其阻抗、温度、流场分布等特性。

2.1仿真模型建立

为便于网格划分、加快运算速度,对机箱模型进行前处理。基于圣维南原理^[4],忽略螺纹孔、倒角等对计算影响小的特征,简化后模型如图3所示。采用非结构化网格进行划分,网格数量约206万,面对齐率最小0.45。腔体等结构材料为6061铝材,PCB板为 FR—4,忽略接触热阻。

2.2风扇风量和数量的影响

基于N6025系列风扇的PQ曲线,通过仿真分别探究风扇最大风量变化和风扇串并联布置对工作点的影响,结果如图4所示。

1)由图4(a)可见,随着风扇最大风量的提高,设备工作风量呈线性趋势增大。借助Matlab使用最小二乘法拟合线性函数为:

⨍(x)=8.077x—119.6 (2)

式中:x为风扇工作风量;⨍(x)为风扇风压。

2)根据机箱内部实际空间布置单风扇或双风扇并联两种模式,通过建立仿真模型探究两种模式下风扇的工作特性。基于风扇1的PQ曲线,计算拟合获取单风扇和双风扇并联的工作点如图4(b)所示。

在机箱阻抗特性的影响下,双风扇并联工作点分别为 (21.4CFM,167 Pa)、(13.9CFM,193 Pa),单风扇工作点为(30.5 CFM,125 Pa)。双风扇并联工作所增加的风量仅为4.8 CFM。同时,相对于单风扇,两个并联风扇的工作点均前移,可能导致稳定性降低,甚至引起风扇失速^[5]。

2.3 设备温度特性

综合系统散热风量最低要求,同时为保障风扇工作点处于最优工作区间,选用了2.2节中风扇3,环境温度设定为25℃,建立设备单风扇仿真模型,探究设备在平均功耗工况下的稳态温度特性。

发热器件和主板腔体温度云图如图5所示,设备最高温度位于上下主板模块CPU上,约为48℃,较环境温度上升23℃,两块主板PCB温度分布基本一致。腔体外表面最高温度约为45℃,位置见图5,较CPU 温度相差约3℃,腔体导热效果良好。

风扇工作压力178 Pa,流量36.9 CFM,工作点合理。设备内部截面流场分布云图如图6所示,流场分布与设计分析基本一致,出口风速约10.6 m/s。

3 试验验证

为验证热仿真结果的准确性,对电子设备进行热测试,使用热电偶测量主板模块散热冷板和电源模块温度,测试点1位于CPU芯片正上方,测试点2为电源模块核心处。设备正常工作后,每隔30s采集一次各测试点的温度,试验设备及现场和测试结果如图7所示。

由图7可知:

1)位于CPU芯片正上方的测试点1的温度T1>电源核心处测试点2的温度T2>出风口温度T3>进风口温度T4。由2.2节的热源分析可知,CPU芯片功耗大于电源功耗,故T1 >T2。出风口温度大于进风口温度是因为风扇的抽风作用带走了主板及电源模块的大部分热量,故而温度升高。

2)各测试点的平均温度如表1所示,测试点1的平均温度约为40.5℃ ,在仿真模拟对应位置处的温度约为42.6℃ ,试验与仿真结果相对误差约为5.2%,该误差能够满足工程应用需要。

3)在23 min左右,T1、T2、T3均出现波动是因为测试过程揭开了设备上盖以辅助验证试验结果。上盖揭开后,影响了抽风环境,故而T1、T2 的温度上升。因为热流扩散,故出风口温度T3下降,而进风口几乎不受影响,所以T4波动小。在27 min时,上盖合上,各测试点温度逐步恢复稳定。

4结论

本文依据设计要求,探究了一种风冷机箱的结构热控一体化设计及验证方法,分别通过数值分析和试验验证方法,探究了机箱的温度分布规律,验证了设计的有效性。主要结论如下:

1)对于系统阻抗较大的系统,并联风扇所能增加的风量不明显,且导致风扇工作点前移,对于PQ曲线存在失速区的风扇,可能导致失速现象发生,引发共振。

2)在产品开发过程中,借助仿真可以评估热设计方案,掌握产品的热分布特性。针对风冷散热方式,可以高效获取系统阻抗特性,评估系统风压,从而确定风扇串并联方式、实际工作点。仿真分析提高了产品设计的效率,降低了设计成本。

最后,本文有两个待深入研究的方向:一是针对目前设备机箱风扇转速无法调控的不足,未来要基于PWM技术,通过采集CPU核心温度作为输入,对风扇状态进行监测、调控,满足设备在不同环境、工况下的散热需求,优化产品能耗及噪声;二是研究风冷机箱进出风口的电磁兼容设计对风扇选型的影响。

[参考文献]

[1]唐田.电子设备热设计散热技术与方法选择数据分析[J].科学与信息化,2016(31):22—23.

[2] 陈继良.从零开始学散热 [M].北京:机械工业出版社, 2020.

[3]贺航,郭浪,张鑫.汽车发动机冷却风扇选型方法[J].汽车工程师,2017(3):34—36.

[4] 牛云飞.高功率密度DC/DC电源模块热设计与相关可靠性分析研究[D].杭州:浙江大学,2021.

[5]李春宏.轴流风机失速与喘振分析[J].发电设备,2008(3):237—240.

2025年第3期第14篇