热仿真优化高性能系统中的冷却

散热问题是嵌入式设计人员在努力实现最大性能同时保持尺寸、重量和成本降低时面临的一些最关键的挑战。医疗、工业、电信和军事环境中的应用具有巨大的性能需求，因此需要更快的处理器。随着工作频率的提高和工艺尺寸的不断缩小，高性能处理器正在成为产生热量的最大罪魁祸首，每个处理器的功率高达 120 W。随着功率水平的提高，设计人员需要有效的工具来在设计过程的早期验证热管理。

热设计的重要性

组件以及整个系统的寿命直接取决于它产生的热量和系统的内部温度。过高的温度会导致性能损失，并最终导致组件故障。对于需要高可用性和长寿命的嵌入式系统，这可能是灾难性的。因此，冷却已成为重要的设计考虑因素。设计人员选择放置组件的位置、通风口、加压和散热器对热管理有可衡量的影响。

为了使当今的嵌入式系统设计更加复杂，某些应用对密封外壳设计有额外的要求。例如，军用设备必须能够在极端温度波动和高海拔地区运行，那里空气稀薄且无法有效冷却——同时还要承受极端的振动和冲击。这通常要求密封设计很少或从不与外部空气交换外壳空气，从而限制了设计人员可以采用的热管理技术。这些类型的坚固设计通常使用可保持热量的高密度橡胶进行外部保护。工程师在确定如何在这些设计中散热时必须注意应用要求，尤其是在现场不能太热而无法处理的坚固手持计算机。

热管理技术

嵌入式系统工程师有许多选项可用于解决散热问题。散热器有各种各样的类型和尺寸。几种特殊的环氧树脂允许将散热器粘合到组件上，从而提供更大的表面积以将热量从 IC 中散发出去。对嵌入式系统外壳进行机械修改并安装定制设计的散热器可以消除单个或多个组件的热量。机箱的后角可以充当热阱，允许特殊的挡板将空气偏转到特定位置。

内部组件安装和外壳安装风扇可以合并，以直接为组件和内部系统电路板提供恒定的气流。当系统设计限制禁止使用风扇或高级冷却系统并需要密封外壳时，设计人员必须经常求助于更具创造性的方法。使用功能减少、时钟速度降低或备用 CPU 以及更节能存储的不同板卡有时是解决这些设计中的热问题的唯一方法。

然而，预测和调整系统的热足迹只是科学的一部分。热管理需要一些基于工程师以前经验的猜测或部落知识。然而，并不能保证工程师会选择正确的值组合来调查哪一个会导致一条耗时的试错改进技术路径。

新技术消除了猜测

为了帮助提高设计的整体可靠性并避免代价高昂的重新设计，必须在设计过程的早期验证热管理，以便在构建硬件之前解决任何问题。计算流体动力学 （CFD） 软件等新技术使工程师能够在设计过程的早期有效地提供热管理专业知识，早于物理原型设计和测试。

在 CFD 软件出现之前，工程师会通过一系列练习来解决热问题。每种方法都需要构建一个原型，然后进行热测量并进行修改，直到达到所需的热结果。在确定正确的设计之前，这通常需要数月的构建和测试，从而增加了上市时间。

如今，仿真工具可以让工程师在设计过程的早期阶段快速（通常在 24 小时内）轻松地创建电子设备的虚拟模型、执行热分析和测试设计修改。只需点击几下鼠标，设计人员就可以快速开发“假设”模型、计算结果并比较性能。

Flomerics，Äô FLOTHERM 软件是一个应用程序示例，旨在解决电子和电气系统中的热管理建模挑战。该软件使用户能够预测电子设备内部和周围的气流和热传递，包括传导、对流和辐射的耦合效应。

图 1 显示了使用该软件的 ETXexpress 模块的有源散热器温度图。流经散热片的蓝色到红色的气流代表从顶部风扇吹出的气流。右侧显示从 +50 ¬∞C 开始从蓝色到红色的温度读数。

图1

热仿真有助于设计最佳机箱冷却系统。创建预测气流、温度和热传递并验证热设计的模型环境的能力可以显着缩短设计时间。Aberdeen Group 的一项独立调查发现，与非用户相比，热分析软件用户完成热设计验证的速度提高了 3 倍，平均每个 PCB 设计的重新设计次数减少了 40% 以上。

热分析在行动

图 2 显示了初步的系统气流分析，在 1U 机箱温度矢量图上显示了气流方向、速度大小和流体场强度。使用这种分析，工程师可以确定是否需要移动或更换电路板上的单个商品，或者特定组件或其放置是否导致温度异常。

图 2

控创在网络设备无线服务器设计中使用了 FLOTHERM，因为它能够可靠地模拟最终系统的性能并在设计过程的早期预测最坏情况。这个特定系统有几个未知变量，并且基于当时仅作为规范可用的专有卡。更复杂的是，该规格的功率变量范围很广，从 60 到 120 W。

控创的工程团队采用规范并为 CPU、HDD、内存和 I/O 分配不同的值，以生成许多场景。图 3 显示了一个小型监控点图示例，该图说明了不同变量的温度，例如机箱、CPU 和机箱内的其他组件。该仿真为设计人员提供了机箱视图，以查看热特性和异常情况，并允许他们预测最坏的情况，包括在风扇或其他关键组件发生故障时会发生什么。

图 3

一旦设计师使用仿真工具验证了模型，他们就会构建原型并在客户的真实环境中对其进行测试。由于分析是在早期完成的，并且使用仿真工具对结果进行了虚拟验证，因此该设计符合客户的需求。

工具确保可靠性

在当今的高性能嵌入式系统中，必须在设计周期的开始就解决散热要求。随着 CFD 的出现，工程师几乎可以消除原型制作时间和成本，软件可以选择移动参数的方向，用户可以找到最佳设计。使用这个概念设计过程，热仿真可以为工程师提供一个关键工具，以减少设计时间和重新设计的次数。也许更重要的是，充分利用这些工具使设计人员能够预测和计划故障——降低设计风险并提高关键任务应用程序的可靠性。

审核编辑：郭婷