基于某型光端機的熱仿真與熱測試對比研究

劉霄海，王志勇，尹鈺田

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著電子設備形態以及功能的飛速演變，熱功率密度不斷提升，溫度問題日漸凸顯，這對電子設備熱設計水平提出了更高的要求。熱仿真技術在其中扮演著重要的角色，被越來越頻繁地應用到電子設備的結構與熱設計過程中[1]。熱設計工程師主要是通過對已設計的設備樣機進行散熱性能仿真分析，并根據仿真分析結果提出熱設計優化方案。因此，熱仿真結果的準確性將直接影響到熱優化效果[2]。本研究以某型光端機為例，通過實驗測試對比分析，驗證該型光端機熱仿真模型的準確性及仿真結果的可指導性，為后續電子設備的熱仿真分析與結構散熱設計提供參考。

1 物理模型

某型號光端機主要由箱體、電源模塊、業務板組件組成。其中，箱體外形尺寸為482.60 mm×430 mm×88 mm，包含前面板，后框架散熱器、底板、左右側板及蓋板等，均由鋁合金銑制加工而成；電源模塊通過螺釘直接固定在后框架散熱器上；業務板組件由上業務板、下業務板、導熱金屬板組成，上下業務板分別安裝在導熱板正反兩面，如圖1所示。

通過對設備器件進行分析，其主要熱源分布在電源模塊及下業務板上，熱量直接傳導或通過導熱金屬板傳導到后框架散熱器上，最后由后框架散熱器的散熱翅片利用自然對流散出。

圖1 某型號光端機總體結構

2 光端機熱仿真分析

2.1 光端機熱仿真模型建立

根據該光端機的構型，將建模完成的機箱CAD數字樣機導入到ANSYS-SCDM中，為提高軟件計算工作效率，在保證分析精度的前提下，對球上數字光端機的部分結構特征進行了合理簡化，刪除了部分不相關器件，略去螺釘、螺母、圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細節及小插件。簡化后用于仿真分析的光端機三維模型如圖2所示。

圖2 光端機簡化后模型

2.2 熱耗及材料參數確定

該型光端機主要熱源分布在下業務板和電源模塊上。下業務板上各熱耗器件通過導熱墊與導熱板直接接觸，其布局及熱耗信息如圖3所示。電源模塊熱耗為30 W，通過導熱墊直接與機箱后框架散熱器接觸。光端機部分材料參數如表1所列。

圖3 發熱器件的布局及熱耗信息

表1 光端機各部分材料參數

2.3 仿真分析及結果

利用Icepak熱仿真軟件采用瞬態分析法對光端機進行熱仿真分析，初始環境環境溫度設為20℃，空氣設為自然對流，同時在6處較為關心的位置設溫度探測點。計算得出光端機的溫度分布及各個探測點在3600 s內的溫度變化情況，圖4為光端機的溫度分布云圖，圖5為各溫度探測點位置分布及其在3600 s內的溫度變化曲線。由溫度分布云圖及溫度變化曲線可以看出：各探測點溫度隨時間變化逐漸上升；設備最高溫位于電源模塊表面及下業務板離機箱后框架散熱器較遠處的發熱芯片表面，約為39.95℃；電源模塊直接固定在散熱翅片上，導致局部溫度快速上升，但分布較為均勻；導熱板溫度梯度從與散熱器連接的位置向遠端呈現逐漸上升的趨勢，符合實際情況。

圖4 光端機的溫度云圖

圖5 各溫度探測點位置分布及其在3600s內的溫度變化曲線

3 熱測試實驗研究

3.1 熱測試實驗平臺設計及搭建

為了驗證上述熱仿真分析及計算得到的光端機溫度分布能否真實反映該工況條件下的熱特性，采用標準大氣壓環境模擬實驗系統和由Pt100溫度傳感器構成的溫度測量系統，完成了電子設備在標準大氣壓下和環境溫度為20℃條件下的熱平衡實驗測試研究。該型光端機環境熱測試實驗平臺和設備裝置圖見圖6。

由于設備運行過程中，各熱耗器件的功率并不是完全與指標一致，考慮到本次研究主要為驗證熱仿真結果的準確性，因此需要過濾掉由于輸入條件與實際情況不一致產生的誤差，同時為了便于熱測試工作的開展，實驗中采用不同規格型號聚酰亞胺加熱膜作為熱源模擬設備發熱。將一組不同規格型號的加熱膜分別粘貼在與下業務板發熱器件、電源模塊所接觸的導熱凸臺處，如圖7所示。

圖7 聚酰亞胺加熱膜黏貼示意圖

使用三路直流電源為加熱膜供電，輸出電壓分別設置為3.7 V、5 V、24 V，以使不同規格型號的聚酰亞胺加熱膜產生與器件指標相同的熱耗，見表2。

表2 部分規格聚酰亞胺加熱膜對應熱耗

在與熱仿真探測點相同的位置處分別布置6個溫度實測點，其中5號實測點設置在機箱側壁上，6號實測點設置在電源模塊處，其余實測點設置在下業務板發熱器件處。

3.2 熱測試實驗結果

將熱測試時間設置為3 600 s，從而獲得該時段內各個實測點溫度隨時間變化的數據，形成溫度變化曲線，如圖8所示。

圖8 熱測試各實測點在3600s內的溫度變化曲線

4 熱仿真與熱測試結果對比

為驗證熱仿真模型的準確性及仿真參數設定的合理性，利用Excel數據處理軟件將上述光端機仿真探測點與熱測試對應的實測點數據進行處理并擬合，獲得6組溫度隨時間變化對比曲線，如圖9所示。

從圖9可以看出，6組測試點的實測溫度曲線與仿真溫度曲線存在一定的偏差，但兩者的溫升趨勢大致一致。通過各組測溫點在不同時刻的溫度數據對比可以看出，大部分測試點的實測溫度與仿真溫度在不同時刻的偏差均在±3℃以內。這在一定程度上驗證了熱仿真模型的準確性和仿真參數設定的合理性，但還存在一定的偏差，造成偏差的可能原因如下：

（1）測溫探頭本身特性及安裝固定可能存在差異，造成測量誤差。

（2）仿真設置的環境與材質參數一般為理想值，實際環境與材質的性能存在一些非線性因素，很難完全吻合。

圖9 測溫點實驗與仿真結果對比

因此，后續仍然需要改進測溫手段，并通過更加大量的測試數據進行分析迭代仿真參數，才能獲得更精確的仿真結果。

5 結語

通過搭建整機瞬態熱測試實驗平臺，可利用該實驗平臺對整機工作時的瞬時溫度進行測試。在同種工況下，將仿真數據與熱測試數據進行對比，驗證熱仿真模型的準確性及可指導性。結果表明，熱學仿真模型比較準確可靠，仿真結果具備參考價值，能指導產品熱設計，但與實際測量結果仍然存在差異，在實際工程設計過程中，為保證產品可靠性，應留有足夠的設計余量。