明導(dǎo)：熱管理在汽車電子設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性

Mentor Graphics(明導(dǎo)國(guó)際)近日發(fā)布一份題為《提高汽車產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力與可靠性 -- 熱管理在汽車電子設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性》的研究報(bào)告。

1.報(bào)告作者介紹

John Isaac，Mentor Graphics公司市場(chǎng)開發(fā)部總監(jiān)。

2.前言、背景

當(dāng)今汽車中的電子類功能(圖1)不斷增加，并將很快超過(guò)機(jī)械類功能所提供的價(jià)值。電子類功能也正成為車型的主要競(jìng)爭(zhēng)元素。車型按時(shí)交付的制約因素已經(jīng)不再是機(jī)械設(shè)計(jì)，而是電子和軟件。因此不僅要快速設(shè)計(jì)出這些電子部件來(lái)，還要讓其具備較高的性能、質(zhì)量并滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)。如果它們的可靠性較低，且在售后出現(xiàn)故障，那么企業(yè)不但將承受巨額的保修和召回費(fèi)用，還可能令其聲譽(yù)受損。

圖1 -- 當(dāng)今汽車中的電子類功能不斷增加

電子設(shè)備的主要熱源是其半導(dǎo)體芯片 (IC)，這些芯片對(duì)溫度非常敏感，使得冷卻方案的設(shè)計(jì)成了挑戰(zhàn)。過(guò)熱會(huì)使芯片過(guò)早失效。隨著功能的增加，相關(guān)散熱問(wèn)題日益突顯，成為電子設(shè)備發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)潛在制約因素。對(duì)關(guān)鍵器件，需要合適的冷卻策略來(lái)防止其過(guò)熱和失效。

圖2 -- 包括電子控制單元 (ECU) 和泵控制器在內(nèi)的所有汽車電子器件都需要良好的熱管理

3.全文要點(diǎn)與大綱如下：

為何要從概念設(shè)計(jì)階段開始?

通過(guò)采用Mentor Graphics公司新的 FloTHERM XT 解決方案，機(jī)械設(shè)計(jì)師或熱設(shè)計(jì)工程師能輕松創(chuàng)建IC、PCB和機(jī)箱的概念模型，然后進(jìn)行模擬，看看能否有效散熱。如果能的話，那么從熱管理角度來(lái)看，設(shè)計(jì)就能進(jìn)行下去。如果任何一個(gè)其它設(shè)計(jì)部門的人員經(jīng)過(guò)概念階段后發(fā)現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行下去，他們可能需要改變系統(tǒng)的功能規(guī)范、尺寸規(guī)格、使用的器件或其它一些因素。然而，如果在后續(xù)的開發(fā)過(guò)程中才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并重新設(shè)計(jì)的話，所需成本就會(huì)顯著增加。

從開發(fā)過(guò)程的概念階段就開始考慮熱設(shè)計(jì)的另一個(gè)原因是為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。在對(duì)PCB板或機(jī)箱進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員能夠輕松創(chuàng)建并對(duì)比多種概念設(shè)計(jì)方案，然后選擇最好的方案，并使用這些數(shù)據(jù)為詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

使用 FloTHERM XT 設(shè)計(jì)汽車元器件

如圖3所示為使用 FloTHERM XT 設(shè)計(jì)復(fù)雜部件的典型流程。該流程的第一步是PCB板的概念布局。這一步驟中，設(shè)計(jì)師可做出PCB板以及他/她知道將產(chǎn)生熱量的元器件的粗略模型。使用該工具時(shí)，可自己創(chuàng)建元件模型或從 SmartParts™ 庫(kù)中選取模型。SmartParts 庫(kù)包含完整的元器件模型以及可輕松修改成實(shí)際元器件結(jié)構(gòu)的模板。然后，即可把這些元器件定位在概念設(shè)計(jì)PCB板上。

圖3 -- 使用 FloTHERM XT，在從概念到最終方案驗(yàn)證的設(shè)計(jì)過(guò)程都與 MDA 和 EDA 設(shè)計(jì)工具密切整合。

然后設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)建一個(gè)概念設(shè)計(jì)機(jī)箱，并將PCB板置于機(jī)箱內(nèi)。FloTHERM XT 擁有完整的機(jī)械設(shè)計(jì)功能，因此，可根據(jù)需要細(xì)化元器件或者機(jī)箱的模型，以正確描述目標(biāo)產(chǎn)品。PCB板置于機(jī)箱內(nèi)以后，便可添加邊界條件并進(jìn)行 CFD 熱仿真分析。設(shè)計(jì)師可根據(jù)結(jié)果修改元器件布局、為過(guò)熱元器件添加散熱片、修改機(jī)箱，然后重新進(jìn)行分析。

持續(xù)該過(guò)程直至設(shè)計(jì)師滿意(他/她得到了很好的熱管理解決方案)為止。與熱相關(guān)的零部件正確放置于PCB板上。PCB板正確放置于機(jī)箱內(nèi)。機(jī)箱形狀和材料可提供良好的傳導(dǎo)、對(duì)流或熱輻射散熱。然后，即可結(jié)束概念設(shè)計(jì)工作，信息傳遞給 MDA 和 EDA 設(shè)計(jì)師，用于詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖4 -- 擁有一個(gè)設(shè)計(jì)師和熱專業(yè)人員都可以使用的快速而準(zhǔn)確的熱分析工具(與MDA 和 EDA 相結(jié)合)有助于滿足汽車公司積極的業(yè)務(wù)需求。

4.研究報(bào)告總結(jié)

使用 FloTHERM XT，設(shè)計(jì)工程師可進(jìn)行前端分析、把握趨勢(shì)、快速解決問(wèn)題、通過(guò)快速求解并對(duì)比不同的方案從而取得更大的項(xiàng)目進(jìn)展，以此有效補(bǔ)充專職分析人員在項(xiàng)目后期驗(yàn)證階段的工作。和傳統(tǒng)CFD軟件相比，可將仿真周期時(shí)間從幾周縮短至幾天或一天。設(shè)計(jì)師可對(duì)比多種設(shè)計(jì)方案，開發(fā)出更具競(jìng)爭(zhēng)力和更可靠的產(chǎn)品，而較短的仿真周期時(shí)間則可加快產(chǎn)品上市(圖4)。