熱仿真與汽車音響設(shè)計(jì)

1、熱仿真與汽車音響設(shè)計(jì) 摘 要：簡述了電子產(chǎn)品失效的主因和傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)的基本公式，說明了采用仿真軟件進(jìn)行熱仿真的意義。并進(jìn)一步闡述了熱仿真技術(shù)在汽車音響散熱片設(shè)計(jì)和整機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：熱仿真；工作溫度；傳導(dǎo)；對流；軸射；散熱片 1 電子產(chǎn)品的熱失效 據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱失效是電子產(chǎn)品最主要的失效原因，溫度超標(biāo)引起的失效占所有失效的55%以上。不合理的熱設(shè)計(jì)，將引起一系列的產(chǎn)品問題：（1）使元器件的工作溫度超標(biāo)，加速產(chǎn)品的失效；（2）產(chǎn)生熱應(yīng)力，使產(chǎn)品翹曲變形，甚至損壞；（3）嚴(yán)重時(shí)引起高溫部分燒焦，甚至引起火災(zāi)。因此如何合理的熱設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品的工作溫度，將是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師的一項(xiàng)重要工作。 2 熱仿

2、真 影響散熱三要素為傳導(dǎo)、對流和幅射。這三要素的基本公式如下所示。 導(dǎo)熱的基本定律-傅立葉定律： 對流換熱-牛頓冷卻公式： 輻射能力： 從上述公式可看出，采用更好的導(dǎo)熱材料（導(dǎo)熱系數(shù)），增加散熱材料厚度；增加散熱面積（對流換熱面積），甚至采用風(fēng)扇、冷卻液等強(qiáng)制冷卻；增大表面幅射（表面黑度）等，均能有效地散熱。 但汽車音響作為車載電子設(shè)備，因其空間有限，散熱片越小越好；同時(shí)產(chǎn)品競爭激烈，經(jīng)濟(jì)因素也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須考慮的關(guān)鍵因素。采用最合理的散熱設(shè)計(jì)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師面臨的一項(xiàng)難題。復(fù)雜的熱設(shè)計(jì)公式，使工程師無從下手；而各種不規(guī)則產(chǎn)品的形狀，不規(guī)則工況，僅采用三個(gè)基本公式已無法算出實(shí)際散熱效果，更使

3、傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)望而生畏。 隨著電腦技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)也得到迅速的發(fā)展，仿真技術(shù)已開始進(jìn)入普及使用階段，越來越多公司采購了仿真軟件。熱仿真軟件使熱設(shè)計(jì)由復(fù)雜、深奧、難懂專業(yè)設(shè)計(jì)，變?yōu)橹灰哂行I(yè)知識和相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)就可進(jìn)行的設(shè)計(jì)。 現(xiàn)市場常用的熱仿真軟件很多，常用的有： icepak：一款由ansys公司出品的專業(yè)性分析軟件，功能強(qiáng)大，但其網(wǎng)格較復(fù)雜，對于非專業(yè)仿真工程師而言，較難操作。 flotherm：由mentor公司出品，是目前最優(yōu)秀的熱仿真軟件，功能強(qiáng)大，但類似于icepak，對非專業(yè)仿真工程師而言，難于操作。其價(jià)格上也較貴。 floefd：也是由mentor公司出品，是一款面向

4、工程師的仿真軟件，操作簡單，仿真速度快，非常適宜產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行邊設(shè)計(jì)邊仿真工作。 至于采用哪種軟件，可據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)、熱設(shè)計(jì)的要求、仿真的投入，并綜合考慮客戶的需求而選用合適的軟件。 3 熱仿真在汽車音響設(shè)計(jì)的應(yīng)用 3.1 散熱片設(shè)計(jì) 散熱片是針對發(fā)熱量大的元器件，如功放ic等專門設(shè)計(jì)的散熱部件。散熱片設(shè)計(jì)是汽車音響熱設(shè)計(jì)中最重要的一環(huán)。利用熱仿真技術(shù)，能快速分析散熱片的散熱情況，把握改正方法和方向。 目前汽車音響的散熱材料一般采用鋁板或鑄鋁，所以仿真也從此兩方面考慮，以分析散熱片是符合要求，及選用材料、工藝等。 如圖1所示，是對散熱片進(jìn)行仿真的結(jié)果，從圖上可直觀看出散熱片的溫度狀況。 （1

5、）溫度偏高，散熱片的最高溫度達(dá)184.59度。 （2）熱傳導(dǎo)不足，散熱片的最高溫度與最低溫度差約50度。 為了改善散熱效果，需從影響散熱的三要素考慮。 方法1，增加散熱面積。 仿真結(jié)果散熱片的最高溫度雖有所降低，但仍高達(dá)182.68度，散熱改善不明顯。 方法2，增加表面幅射系數(shù)。 仿真結(jié)果如圖2示，散熱片最高溫度降為149.74度，下降明顯。這是因?yàn)殇X板散熱片為銀色，輻射系數(shù)小，但發(fā)黑處理后，輻射系數(shù)大幅提高，也即提高了散熱的散熱能力。散熱片的最高溫度和最低溫度差為30多度，有了明顯的降低，這主要是因?yàn)檩椛浣禍卦斐傻?，散熱片發(fā)黑并沒有改善散熱片的熱傳導(dǎo)能力。 方法3，增加散熱片的熱傳導(dǎo)能力。

6、現(xiàn)將散熱片的厚度，由3mm增加到4mm，增加散熱片的橫截面積，從而增加散熱片熱傳導(dǎo)能力。在不采用發(fā)黑處理情況下，仿真結(jié)果如圖3示，散熱片最高溫度147.9度，下降也較明顯。 方法4，更換材料和設(shè)計(jì)。 將材料改為鑄鋁，鑄鋁的熱輻射比鋁板高，熱傳導(dǎo)能力較差。但是因采用鑄造生產(chǎn)，中間可以加厚，以改善熱傳導(dǎo)，也即同時(shí)增加了散熱片的輻射和熱傳導(dǎo)能力。仿真結(jié)果如圖4示，散熱片最高溫度145.68度，下降也明顯。 以上的每個(gè)仿真時(shí)間只需不到10分鐘，設(shè)計(jì)人員可以邊設(shè)計(jì)邊仿真，可以快速分析和判定現(xiàn)設(shè)計(jì)方法有無問題；采用新優(yōu)化設(shè)計(jì)后效果怎樣；采用哪種方法散熱更佳等。并綜合產(chǎn)品的需求，包括時(shí)間進(jìn)度、成本及交貨等因

7、素，選用最合理的方法。 3.2 整機(jī)熱設(shè)計(jì) 對于整機(jī)產(chǎn)品來說，除了散熱片外，產(chǎn)品的布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也對散熱效果影響很大。 如圖5示，在外殼上開了散熱圓孔后的仿真結(jié)果，產(chǎn)品內(nèi)的竄動氣流明顯減少，熱空氣大部分從散熱孔流出，同時(shí)也將機(jī)內(nèi)的熱量帶走，起到很好的散熱作用。 因此通過熱仿真能很快分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在什么問題，并對優(yōu)化措施的效果作出了判定。我們很易判定，產(chǎn)品應(yīng)采用有散熱孔的方案。 此外，汽車音響工作溫度較高，但很多元器件有其工作溫度的限制，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命，需要控制好各關(guān)鍵部件的工作溫度。按傳統(tǒng)的方法，需要對產(chǎn)品進(jìn)行打樣、組裝和溫升測試，利用各溫度探頭來測量各部件的溫度。這種方法時(shí)間長（有時(shí)需數(shù)周時(shí)間），費(fèi)用高（各種樣品費(fèi)用及工時(shí)投入），而且還會因操作人員的測試手法而產(chǎn)生差異。 利用仿真技術(shù)，只要有3d模型，就可進(jìn)行仿真測試，不必產(chǎn)生額外的費(fèi)用，而且時(shí)間短，一天內(nèi)就可完成分析。 4 結(jié)束語 仿真技術(shù)的利用，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式。我們可以邊設(shè)計(jì)邊仿真，甚至在方案