電子產(chǎn)品如手機、服務器、網(wǎng)絡設(shè)備、智能手表、電動汽車電子控制單元等產(chǎn)品的尺寸變小，功能增多，導致熱耗增大，從而作為產(chǎn)品電子產(chǎn)品機械部件的殼體設(shè)計越來越重要。不管是開口殼體還是封閉殼體，電子產(chǎn)品的熱量都需要經(jīng)過殼體散發(fā)到環(huán)境空氣中。

如圖1所示，1U服務器布置非常緊湊，殼體內(nèi)空氣流動復雜，因此優(yōu)化殼體內(nèi)空氣流動，確保關(guān)鍵芯片有足夠冷空氣冷卻；殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計必須符合產(chǎn)品熱管理要求。

西門子工業(yè)軟件Simcenter FloTHERM和Simcenter FloTHERMXT可以在產(chǎn)品概念設(shè)計階段，利用“Enclosure”智能部件優(yōu)化殼體大小、開孔、風扇布置、PCBA在殼體中安裝與布局，從而優(yōu)化空氣流動，確保產(chǎn)品熱可靠性。對于詳細機械結(jié)構(gòu)的殼體，可以通過Simcenter FloTHERM的FloMCAD Bridge 導入到Simcenter FloTHERM中做優(yōu)化設(shè)計，也可以在Simcenter FloTHERM XT中通過機械參數(shù)尺寸優(yōu)化殼體設(shè)計。在客戶案列基礎(chǔ)上，本文給出殼體設(shè)計需要考慮的一些因素，供熱設(shè)計工程師參考。

第一考慮點：殼體設(shè)計中，需要確保關(guān)鍵芯片散熱有足夠空氣流道。電子產(chǎn)品各種接頭，數(shù)據(jù)線可能會占用空氣流道，從而增加空氣阻力，風扇工作點向壓力大處偏移，導致流量變小而芯片節(jié)溫偏高；自然對流、封閉殼體的電子產(chǎn)品中的連接器可能會導致殼體中空氣回流，如果熱空氣回流點出現(xiàn)在主要芯片處，就會導致產(chǎn)品失效。因此在機械殼體設(shè)計中，不僅需要考慮高功耗芯片，也需要考慮產(chǎn)品連接器，數(shù)據(jù)線（如圖2所示）對空氣流動的影響。

第二考慮點：選擇合適風扇安裝在殼體上合適位置。

不同類型的風扇外形如圖3所示，P-Q曲線如圖4所示。徑向風扇通常會產(chǎn)生高壓力而流量低，軸流風扇流量高而壓力低；如何選擇風扇，主要依據(jù)是控制芯片節(jié)溫需要的風量，滿足風量條件下，為設(shè)計余量，如果外殼有安裝空間，工程師通常會選擇大風扇，大風扇出風大，工作點轉(zhuǎn)速慢，噪音??；大風扇成本高，風扇電磁兼容EMC問題很難解決，電子產(chǎn)品小型化，迫使工程師選擇更小更便宜的風扇，如此風扇轉(zhuǎn)速高，噪音大，風量也會少。

第三考慮點：強制對流電子產(chǎn)品，風扇對殼體來說是抽風還是送風。從系統(tǒng)熱設(shè)計時，首先需要考慮風扇送風進外殼還是風扇從外殼抽風，送風系統(tǒng)在外殼內(nèi)產(chǎn)生正壓，各個PCBA板，連接器都是阻力部件，風扇布置和各個PCBA插槽板間距與布置需要優(yōu)化才能保證空氣合理均勻分配；目前筆記本電腦采用送風。復雜的電子產(chǎn)品，為保證流量，通常安裝內(nèi)部風扇，送風風扇與抽風風扇組合應用。抽風系統(tǒng)在外殼內(nèi)產(chǎn)生負壓，會有環(huán)境空氣漏如系統(tǒng)而大固體顆粒會被入風口濾網(wǎng)過濾掉，抽風系統(tǒng)流動會更加均勻。在殼體詳細設(shè)計階段，一定要考慮風扇在殼體上的安裝，確保減少高速風扇因機械振動而產(chǎn)生的噪音。

第四考慮點：利用導流板讓殼體內(nèi)風速均勻，減少環(huán)流。導流板通常放在送風風扇后面，導流板加入會導致送風系統(tǒng)阻力增加，流量減少；導流板產(chǎn)生阻力越大，流動約均勻，如圖5所示。

如圖6所示，風扇托盤安裝同類型的軸流風扇，因軸流風扇送風速度高時有“噴射”效應，軸流風扇會產(chǎn)生非軸流速度；風扇流量越高，軸流風扇越容易產(chǎn)生徑向速度，為確保風扇托盤后空氣流量均勻，流向一致，通常需要考慮加導流板。

風扇流速大產(chǎn)生徑向速度，出口形成渦流，有效散熱空氣減少，建議加導流板

第五考慮點：優(yōu)化設(shè)計殼體通風孔尺寸。不管抽風還是送風散熱，空氣都需要經(jīng)過殼體通風孔，不同尺寸與布局通風孔會產(chǎn)生不同壓力損失和空氣流動速度。抽風系統(tǒng)可能會在入風口處因系統(tǒng)與殼體通風孔設(shè)計不合理，導致入口速度大而回流，從而增大壓力損失，減低流量而產(chǎn)生產(chǎn)品局部“過熱點”。殼體開孔會產(chǎn)生電磁干擾EMC問題。如圖7所示。利用鋁合金薄板成型的殼體開蜂窩通風孔，開孔率達95%，同時開孔鋁板具有EMC屏蔽功能，然而開孔直徑過小導致空氣流過微小孔壓力損失太大，需要用大風扇，增加成本。

第六考慮點：優(yōu)化風扇和通風孔在外殼上放置位置與大小。

第七考慮點：優(yōu)化PCBA在殼體中的放置，如圖8所示，PCBA在外殼體內(nèi)不同位置，導致熱源位不同；熱空氣上浮，冷空氣進入殼體內(nèi)，從而流動形態(tài)和速度有差別，散熱效果不同。

第八考慮點：充分利用殼體導熱。對于殼體完全封閉的電子產(chǎn)品，熱源熱量直接通過傳導進入殼體，殼體導熱均溫，殼體與環(huán)境自然對流導出產(chǎn)品熱量達到散熱效果，如圖9所示的智能手機產(chǎn)品。

第九考慮點：殼體內(nèi)表面增加熱擴散功能。在PCBA與殼體直接接觸時，利用金屬PCBA板；平板熱管連接殼體與熱源；殼體內(nèi)部利用石墨薄片均溫等。

第十考慮點：是否可以用相變材料減少熱沖擊。如圖9所示，對于快充設(shè)備，相變材料可降低產(chǎn)品殼體溫度。

第十一考慮點：殼體自然對流電子產(chǎn)品，務必增加輻射換熱。

第十二考慮點：殼體機械設(shè)計MCAD與電路板EDA設(shè)計協(xié)同進行。Simcenter FloTHERM XT提供產(chǎn)品在概念設(shè)計階段協(xié)同優(yōu)化殼體機械設(shè)計與EDA芯片布局優(yōu)化設(shè)計，確保產(chǎn)品熱可靠性。

總結(jié)：西門子工業(yè)軟件Simcenter FloTHERM& Simcenter FloTHERM XT 提供電子產(chǎn)品殼體熱設(shè)計工具平臺，讓熱設(shè)計智能化，如利用外殼溫度反饋控制風扇轉(zhuǎn)速達到散熱效果，Simcenter FloTHERM中都能實現(xiàn)。再比如Simcenter FloTHERM中“controller”可根據(jù)芯片溫度選擇發(fā)熱功率和使用頻率，從而讓熱仿真智能化。

責任編輯：haq