浅议Flotherm软件在电子元器件系统热设计中的应用

浅议Flotherm软件在电子元器件系统热设计中的应用

杜一骄

（中国电子科技集团公司第二十研究所陕西西安710068）

摘要：Flotherm热仿真的操作流程简单，可方便地进行多次仿真实验、优化等手段来研究影响热分析精度的因素。通过有针对性的一系列优化操作可以很好地减小误差，使得热仿真分析结果更加接近实际值，从而实现更加有效的辅助设计。

关键词：Flotherm软件；电子元件；系统；热分析

为了减少温度对元器件的性能影响，在电子设备的前期热设计过程中，必须对CPU、电源和热敏感元件的温度-性能关系进行仔细分析，并针对发现的问题采取相应措施。在此，基于热分析软件Flotherm对某型PCB控制板进行热分析与热设计，以探寻一种具有实用价值的电子元器件可靠性分析方法。

一、Flotherm软件简介

根据传热学的基本理论，传热的基本方式有热传导、对流换热和辐射换热。热分析软件主要根据能量守恒、动量守恒及质量守恒进行控制计算。Flotherm软件便是这类软件的代表之一。数值分析法主要以离散数学、数值计算为基础，以计算机为工具，能够对大量复杂的问题进行求解，其求解过程复杂但求解精度高。随着传热学及计算机技术的发展，数值分析法得到了很好的发展，其逐渐成为最常用的研究电子设备热仿真分析的方法。应用Flotherm软件的核心热分析模块，可以完成从分析模型建立、网格生成、求解计算、分析报告到可视化后处理等功能，实现多个层次的分析。该模块还包含TABLES分析结果数据报告和VISULATION可视化后处理等功能。软件接口模块FLO/MCAD，不但完全支持PRO/ENGINEER等机械CAD软件几何模型的直接调用并自动简化，还可以通过IGES、SAT、STEP、STL格式读入如UG、I-DEAS和AutoCAD等MCAD软件建立的三维几何实体模型，可以大大减少对复杂几何模型的建模时间。Flotherm软件在功率器件绝缘与热传导路径设计、BGA封装热性能仿真优化分析、光伏逆变器的散热设计、车载充电设备热仿真分析以及机载液晶显示器的热设计等诸多领域都有应用研究的报道。

二、热仿真分析实例

选取某一型号的PCB控制板作为热仿真对象，该PCB板上分布着很多电子元器件及数据线接口，整块PCB板为典型的密闭电子设备，。在进行热分析建模时，对PCB控制板进行简化处理，保留率较大的电子元器件，省略功率较小的元器件，但在计算时仍将考虑其功率损耗，这样既大大降低了建模的复杂程度，又能有效准确地计算。

热分析模型建立后，进行第二步操作，即网格划分。运用Flotherm自带的网格划分工具对模型进行快速的网格划分，在能控制计算量的条件下，可尽量将网格划分得精细一些，并可考虑采用局部化分网技术，加大发热元器件区域的网格密度，以获得更为精确的运算结果。针对本实验模型的复杂程度及温度梯度的大小，在兼顾仿真结果准确性以及降低求解难度缩短求解时间后，为模型划分出合适密度的网格，。

网格划分后进入第三步，即对模型进行求解计算。点击Solvestart按钮启动并确认计算求解，因模型作了热辐射仿真，因此Flotherm先进行热辐射交换因子计算，之后进行后续计算，当计算收敛或监控点温度稳定时可结束计算，否则须检查网格划分是否有误或设定的相关参数是否合理，调整修订后再次计算，直至迭代收敛。运算完成后检查计算结果，打开PlotEditor窗口，通过如图4所示的温度场分布云图，可以得到本热分析模型的最高温度、最低温度以及温度分布的情况。在此基础上再合理调整模型的布局与结构，再继续分析计算，进而得出最佳设计方案。

Flotherm热仿真的操作流程简单，可方便地进行多次仿真实验、优化等手段来研究影响热分析精度的因素。通过多次试验，热仿真误差的主要来源是：模型简化误差、边界条件误差以及网格误差等。通过有针对性的一系列优化操作可以很好地减小误差，使得热仿真分析结果更加接近实际值，从而实现更加有效的辅助设计。

三、结束语

Flotherm热仿真分析可以快速有效地得到电子元器件系统热设计的分析结果，模拟出设备的温度场分布，从而更加准确直观地了解设备的散热能力，及时发现设计中的问题并予以修订，达到高水平地设计要求。从仿真与实验结果的误差可知，电子设备的计算机辅助热设计还有待进一步的完善和发展，这其中蕴藏着很大的研究潜力和价值，对于提高电子元器件的使用可靠性，缩短电子产品的开发时间上都具有重要意义。

参考文献：

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