基于Flotherm 的某便攜式測試終端熱仿真分析

王藝璇， 劉 玲， 秦友倫

（中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司， 四川 綿陽 621000）

0 引言

隨著電子產品設計的發展， 設計仿真技術的不斷創新，在熱設計方面，技術也日趨成熟，通過合理地使用熱分析軟件，對產品結構設計進行多輪迭代優化和完善，充分論證產品的各項性能，使得產品的設計符合需求，以期達到后續生產制造和使用方面風險最小，減少資源浪費，降低成本，提高產品的可靠性，延長使用壽命。

便攜式測試終端用于對外部設備提供電源輸出，并能進行電性能指標監測和多種類型的總線通訊。 因其使用環境的特殊，對耐高低溫、耐腐蝕、抗振動沖擊和抗干擾等方面都提出了較為嚴苛的指標。 因此在產品結構設計階段，通過合理地運用熱分析工具，充分論證產品的各項性能，使得產品的設計符合需求，可以有效降低設計成本，縮短研制時間，規避設計風險，從而進一步提高產品設計的一次成功率[1]。

1 案例描述

某便攜式測試終端主要由主板、IO 板和顯示屏組成，外部尺寸為170mm×110mm×40mm，如圖1 所示。 在結構設計階段，硬件電路設計已完成，主要的發熱器件位置已確定，其中主板的發熱器件主要有U1～U5 和U43，為方便分析計算，其余器件由于發熱功耗較小，在建模時對其發熱情況不予考慮。 終端發熱模塊結構尺寸及發熱功耗如表1所示。

圖1 測試終端結構組成

表1 發熱模塊結構尺寸和功耗表

2 熱仿真分析

2.1 熱設計

物體的傳熱過程分為三種基本傳熱模式， 即： 熱傳導、熱對流和熱輻射。 根據產品使用環境的要求，該測試終端在實際工作中，除依靠結構傳導散熱外（輻射散熱可忽略），難以采用其他散熱方式。由上述工作參數可知，雖然終端的發熱功耗不高，但由于外殼是完全密封的，并且殼體內的發熱器件體積小且分布不均。 終端在長期工作后，殼體內溫度上升很快，縮短器件使用壽命，因此需對其進行良好的熱設計。

在只考慮傳導散熱的情況下， 由于終端外殼是直接接觸外界環境的， 因此整機的散熱過程盡量考慮內部熱量通過殼體導出至外界環境中。 根據材料特性和工作經驗，整機殼體材料選用鋁合金6061 材料，密度2700kg/m3，導熱系數180W/m·K，比熱容963J/kg·K[2]。

2.2 建立模型

利用FLOTHERM 軟件對測試終端進行熱仿真分析時，為提高仿真效率，在計算結果不會產生較大影響的前提下，對三維模型進行適當地簡化，主要包括：①簡化測試終端殼體內外的倒角、 螺紋孔等對散熱影響很小的結構和特征；②刪除測試終端中的把手、插座、橡膠按鈕、開關、導電橡膠條和支腳等無功耗器件；③刪除銘牌和殼體上的倒角、刻字等結構和特征；④刪除對仿真結果影響很小的螺釘、彈平墊等標準件。

通過一系列合理簡化后得到加固計算機的仿真模型如圖2 所示。

圖2 簡化模型

2.3 熱仿真

2.3.1 參數設置

將簡化后的三維模型導入Pre-Processor 中， 參 數 設 置 如下： 工作環境溫度為55℃，環境氣壓1atm。測試終端的殼體和蓋板材料選用Aluminum-6061， 安裝板材料為Aluminum（Anodized），主板和IO 板的基板材料為FR4，元器件材料為Copper （Pure）。

2.3.2 網格劃分

邊界條件設置完畢后，對模型進行網格劃分。良好的網格劃分不僅可以保證求解計算的精度， 還可以提高計算效率。網格劃分時選擇非連續網格法，對主板進行網格局域化分，主要發熱器件局部加密，得到網格見圖3。

圖3 網格模型

（1）計算域尺寸：350mm×300mm×200mm。

（2）網格類型：六面體。

（3）網格數量：432772。

（4）網格最大長寬比：19.758 81。

2.3.3 求解計算

對建立的仿真模型進行檢查和求解計算。 參數殘差監控曲線如圖4 所示，監控點溫度曲線如圖5 所示。 可以看出參差收斂曲線達到1，迭代計算收斂；監控點溫度變化曲線穩定[3-4]，監控點參數值不隨迭代次數發生變化，認為本次計算結果收斂。

圖5 監控點溫度曲線

2.3.4 結果分析

通過Visual Editor 后處理模塊查看仿真結果。 測試終端的整體溫度分布如圖6 所示， 終端內部板卡的溫度分布如圖7 所示。

圖6 測試終端溫度分布

圖7 板卡溫度分布

由圖6 可知，終端殼體溫度最高60℃，最低56℃，最高溫度位于IO 板電源模塊U37 處。 由圖7 可知，IO 板U37 溫度為63℃， 這是由于電源模塊僅依靠板卡傳遞熱量，所以雖然U37 功耗較低，卻是整個元器件中的最高溫度。 主板上U1 即CPU 芯片是終端功耗最大的器件，在主板的器件與終端蓋板之間選用導熱墊填充， 將器件的部分熱量通過外殼導出至外界環境中，仿真結果為60℃，相對環境溫度溫升5℃，滿足設計要求。

3 結論

為了驗證熱仿真結果的準確性，將產品置于溫箱內，由室溫以5℃/min 的速率升至55℃，對產品加電進行電性能測試，結果CPU 芯片實測溫度61℃，與仿真結果相差1℃。 其余器件實際溫度與仿真結果誤差均不超過3℃，并且實測值與仿真值均滿足元器件使用要求[5]。

根據熱仿真計算結果， 表明主板上的芯片散熱面與終端蓋板上的凸臺相接觸， 形成了良好的散熱途徑，因此，雖然芯片的功耗較大，其溫度相比未做相應散熱措施的IO 板U37 芯片溫度更低。

4 結束語

本文通過對某便攜式測試終端進行熱仿真分析，結果表明：在產品設計階段，通過運用FLOTHERM 軟件對其進行熱仿真分析， 可較為準確地估算在高溫環境下的器件溫度以及整機的溫度分布圖。同時，對產品的結構設計及板卡的器件排布提出參考依據。通過熱仿真分析，結合一定的實驗驗證， 可以有效地縮短電子設備的研發時間，降低產品的研發成本，在工程應用中具有良好的實際指導意義。