工業以太網交換機的熱仿真分析與優化

王茜瑤 胡立生

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院)

工業以太網交換機的熱仿真分析與優化

王茜瑤 胡立生

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院)

對自行設計的一款工業以太網交換機，使用FloTHERM工具進行熱仿真分析，并提出改善散熱狀況的措施，進行優化分析以驗證方法的合理性。結果表明：合理的元器件布局、恰當的通風方式和散熱措施能有效改善散熱問題，對指導交換機等產品的設計具有積極的現實意義。

交換機 熱仿真 無風扇 優化

工業以太網交換機是工業網絡中的關鍵設備，它可以用于惡劣的工業現場和室外環境[1]。隨著工業系統中設備的日漸復雜，對交換機的可靠性和穩定性也提出了更高的要求。交換機工作穩定性的一個重要指標是散熱性能，由于工業環境常出現高溫，而此次研發的工業以太網交換機整體體積小，內部主板上器件多，且采用無風扇設計，因此如何進行散熱設計來有效控制機箱內部溫度成為迫切需要解決的問題。引入熱仿真技術，在設計階段對交換機進行建模仿真，能夠預測其中的溫度分布，從而進行相應修改，以減少試驗和測量的次數，降低開發成本，也能夠有效改善交換機的性能，提高其可靠性和穩定性。筆者對自行設計的工業以太網交換機系統進行建模仿真，根據結果提出了為解決散熱問題應采取的措施，并對所提出的措施進行仿真優化，以驗證方法的合理性，為交換機產品的設計提供一些參考建議。

1 工業以太網交換機的散熱設計需求

工業以太網交換機的溫度要求為-40～85℃[2]，有資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性將下降10%[3]。由于工業以太網交換機上電之后要在惡劣的工業環境中常年運行，其內部空間小，主板較小，板上集成器件較多，且根據設計要求不能添加風扇，要讓交換機安全穩定地工作，除了保證設備工作環境溫度在合理范圍內之外，還必須要對它進行散熱處理，因此對此交換機的散熱設計尤其重要。

2 建模與求解

仿真對象為一款可用于工業現場的3層交換機產品，外殼為鋁合金，盒內裝一塊主板，板上集成了大量電子元器件，電源使用外接適配器，散熱方式采用自然對流冷卻。

2.1 模型概述

對交換機機箱和主板分別建模，設定機殼尺寸與實際機殼尺寸一致，材質為鋁合金，設定其工作環境范圍(求解域)比機箱尺寸略大，將交換機機殼放在求解域的中心，外殼左右兩壁上設計散熱孔，開孔率暫定為0.5，在機箱中心建立虛擬探針以監控機箱內的溫度。

對交換機內部主板的模型，筆者采用由第三方軟件導入模型的方法，將由PCB圖轉換的.floeda文件導入到FloTHERM軟件的EDA接口界面。由于導入的模型包含了主板上所有的元器件，直接計算將比較復雜，因此需調整模型設置。將尺寸小、功耗不明顯的貼片電阻、電容等部件過濾，過濾的小部件將不會出現在模型中，但其功耗仍附著在主板表面參與后續求解計算。更改部件封裝類型，將主板上關鍵芯片的模型修改為雙熱阻模型，修改PCB模型中各層的銅走線分布，使模型縮小到合適的大小[4]。建立的交換機模型如圖1所示。

2.2 網格劃分

網格劃分是迭代計算的基礎，在一定范圍內，網格數量越多，計算結果越精確。但網格數量達到一定程度后，若繼續增加網格數量，精度不會有太大的變化，而計算時間卻大幅增加，因此合適的網格劃分很重要。使用系統劃分和局部劃分相結合的方法可以保證結果的準確性[5]。

圖1 交換機模型

對交換機模型創建系統網格，使仿真模型中的器件沿邊界生成Keypoints網格，設置x、y、z3個方向上網格的最大尺寸為20mm，最小尺寸為1mm，并設置相鄰網格尺寸平滑過渡，避免相鄰網格之間的尺寸比過大。對主板上元器件進行局部劃分，設置大尺寸元器件的最小網格尺寸為1mm，網格最小個數為10。小尺寸元器件的最小網格尺寸為1mm，網格最小個數為3。創建PCB板的網格約束，由于計算時需考慮PCB板的熱傳導，在厚度方向上至少需要3個網格，因此設置PCB板z方向上最小網格尺寸為0.1mm，網格最小個數為3。為進一步提高計算效率，對整機系統進行局域化操作，以去除延伸至求解域邊界的網格，網格劃分結果如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

2.3 求解和結果分析

對劃分網格后的模型進行求解，迭代計算得到的殘差曲線和監控點溫度曲線如圖3所示。左側的殘差曲線值已經穩定在數值1上，說明迭代收斂；右側的溫度曲線顯示了在當前迭代收斂的情況下各個芯片上和機箱中心的溫度值，可以看到監測的溫度值已經穩定。圖4是過主芯片中心的溫度場分布，可以看出溫度的高低分布情況。

圖3 迭代計算殘差和監測點溫度曲線

圖4 機箱中溫度場分布情況

由圖3求解結果可以看出，芯片U101溫度超過100℃，芯片U201溫度超過90℃，由于工業級電子元器件的極限工作溫度為-40～85℃，因此從仿真結果來看，機箱內溫度較高，不符合工業級元器件工作的溫度要求，方案需要改進。

3 熱設計的優化

常用的加快散熱的方法有增加散熱孔、添加風扇及添加散熱器等，由于設計要求不能添加風扇，因此改進重點在散熱孔和散熱器，使用Command Center對設計進行優化。

3.1 改進開孔率

由圖3可以看出，機箱內關鍵芯片溫度都不低，不利于交換機的長時間運行，因此可修改開孔率以優化散熱設計。設定開孔率最小值為0.1，最大值為0.9，將機箱中心溫度、芯片U101和U201中心溫度同時作為輸出變量，求解得到10種方案，結果如圖5所示。由圖中結果可以看出，兩個打孔板的開孔率都為0.82時，機箱中心溫度最低。

圖5 改進開孔率的優化結果

3.2 添加散熱器

由圖5可以看到，改進開孔率后芯片U101和U201的溫度仍高于90℃，比對5個主要芯片的功率可以看出芯片U101和U201的功率確實比較大，因此考慮在這兩個芯片上增加散熱器。修改主板模型，在芯片U101表面添加散熱器，設定散熱器尺寸大小與芯片尺寸一致，由于散熱器肋片形狀為平行矩形直肋時散熱效率最高，因此設置散熱器類型為平行板，齒數設為4，齒高8mm，齒寬2mm，根據成本和重量綜合考慮，選擇散熱器材料為純鋁。同樣對芯片U201添加散熱器并設置參數，添加散熱器后交換機模型如圖6所示。

圖6 添加散熱器的PCB模型

為了保證良好的散熱效果，在添加散熱器之后，使用Command Center對此方案中散熱器肋片的肋高和肋厚進行優化設計，以求達到相對較好的散熱效果。設置U101上散熱器內部齒數最小值為1，最大值為3，內部肋高最小值為6mm，最大值為10mm，內部肋寬最小值為1mm，最大值為3mm；設置U201上散熱器內部齒數最小值為2，最大值為4，內部肋高最小值為8mm，最大值為12mm，內部肋寬最小值為1mm，最大值為3mm。將芯片U101和U201的中心溫度同時作為輸出變量進行實時監控，設置優化方案的個數為30并求解。圖7顯示了30種方案中的6種計算結果。

圖7 不同方案數據對比

對30種方案的結果進行比較，可以看出其中最優方案為：U101散熱器內部肋高8.267mm，內部肋寬1.933mm，內部齒數為2；U201散熱器內部肋高11.6mm，內部肋寬1mm，內部齒數為4。按照最優方案給出的優化數據重新計算，計算所得殘差曲線和監控點溫度曲線如圖8所示。

圖8 最終殘差曲線和監控點溫度曲線

根據圖8的結果可以看到，受監測的5個關鍵芯片的溫度都在30～85℃，由于工業級電子元器件的極限工作溫度為-40～85℃，因此從仿真結果來看，本次改進后的設計符合工業級元器件工作的溫度要求。在實際測試中，交換機樣機的各項工作參數也都正常，沒有出現故障。由此可見，此次優化后的熱仿真是有效的。

由仿真結果還可以看到，雖然已經添加了散熱器，但是關鍵芯片的溫度仍然都維持在50℃以上，長時間這樣工作可能會影響元器件的壽命，從而導致交換機不能正常工作，因此可以在通風和散熱方式上再次加以改善，對散熱孔進行優化，或者是將散熱器的優化方案重新進行設計，進一步加快散熱，使產品更好地工作。也可以對交換機內部的電子元器件重新進行布局，合理調整模型的結構，繼續分析計算，從而得到最佳方案。

4 結束語

借助FloTHERM軟件對自行設計的一款工業以太網交換機進行熱仿真分析，模擬出交換機內部的溫度場分布，以驗證設計是否符合工業現場的要求，并據此提出相應的辦法來完善產品設計。引入熱仿真分析后，可以大幅提高交換機產品設計的成功率，縮短開發周期，節約開發成本，為設計高質量的交換機產品提供理論指導依據，該方法對交換機設計具有現實指導意義。

[1] 宰守剛，王智，孫優賢．交換機在工業以太網中的應用探討[J].化工自動化及儀表，2003，30(1)：48～51．

[2] 楊帆．電子線路板熱分析方法研究[J].電力電子技術，2011，45(1)：91～92．

[3] 胡志良，姚惟琳．電子產品熱設計及數值分析研究[J].中國科技信息，2012，(13)：111～112．

[4] Zamengo A，Recchia M，Kraus W，et al．Electrical and Thermal Analyses for the Radio-frequency Circuit of ITER NBI Ion Source[J]．Fusion Engineering Design，2009，84(7-11)：2025～2030．

[5] 李波.FloTHERM軟件基礎與應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2014：1～2．

2017第17屆立嘉國際工業自動化與機器人展

展會時間2017年5月25～28日展會地點重慶國際博覽中心

2017第17屆立嘉國際工業自動化與機器人展除重慶市政府相關部門、中國機械工業聯合會、國防科工局信息中心參與主辦外，二十余家中西部地區相關行業協會及百余家當地經銷商聯合共同主、協辦展會，并有二百余家行業媒體合作宣傳展會。

六大專題展共建上下產業鏈對接平臺：工業自動化、金切機床、成形機床與鈑金加工、鑄造與熱處理、模具和國防智能制造六大專業展區，集中以品牌展示、新技術推廣、應用解決方案的提供為主導，搭建觀摩、學習、交流和采購的平臺。

承辦單位重慶市立嘉會議展覽有限公司

地址重慶市南坪海銅路1號鉆石國際寫字樓15A03

聯系人方容 13996080609

電話023-86376309傳真023-86376323

網址www.cwmte.com.cn/chongqing郵箱304928044@qq.com

ThermalSimulationandOptimizationofIndustrialEthernetSwitch

WANG Xi-yao, HU Li-sheng

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University)

Through making use of FloTHERM software, the thermal simulation of independently-designed industrial ethernet switch was implemented, including presentation of measures to improve the heat dissipation and optimization analysis to verify the rationality of this method. The result shows that, the reasonable layout of electronic components and appropriate ventilation can effectively solve heat dissipation troubles, this has a positive practical significance to the design of electronic products.

switch, thermal simulation, fanless, optimization

TP302.1

A

1000-3932(2017)05-0487-05

王茜瑤(1992-)，碩士研究生，從事控制工程的研究，wxy1992free@163.com。

2016-11-21，

2016-12-15)