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关于机顶盒类产品热仿真的研究

来源:用户上传      作者:王俊清

  【摘要】机顶盒散热一直都是专业人员研究的重点内容,机顶盒散热情况与其使用寿命及使用性能有着直接联系。因为机顶盒散热设计中考虑的内容较多,复杂性强,为加强散热效果,就需做好进一步的研究和分析。本文将重点阐述机顶盒类产品热仿真设计相关研究内容,旨在提高产品的开发效率,确保产品的使用性能。
  【关键词】机顶盒;热仿真;使用性能
  中图分类号:TN929 文献标识码:A DOI:10.12246/j.issn.1673-0348.2022.03.030
  1. 背景技术
  数字视频机顶盒,是连接电视机与外部信号源的重要装置,随着技术的进步,机顶盒类产品使用的芯片集成度越来越高,产品的外观越来越小,产品内部和外部的温升不断提高。机顶盒类产品使用中需要完善散热设计,如果散热性能不好,机顶盒运行中存在明显的高温现象,对内部零芯片带来了损坏,缩短了机顶盒的使用寿命。为此在机顶盒类产品的设计中散热设计十分重要。
  2. 热仿真简介
  电子产品热仿真是计算流体动力学的重要分支,是利用计算软件构建完善的数字模型,通过数字模型及图像的显现和计算,对电子产品的散热性能就噪声情况予以分析和了解。热仿真作为虚拟实验的一种常用形式,可在产品做出之前,准确计算和掌握散热情况,降低散热风险系数。热仿真技术在应用中,可提前预测产品的散热性能,查看其是否满足产品要求,进而节约时间和成本,减少开发风险。当前,随着计算机性能的不断提升及仿真模型的完善,计算精准度也在不断提高,这为热设计带来更多助力和支持。目前散热设计中,常用的仿真软件有Flotherm,AnsysIcepak,6SigmaET,FloEFD等。
  3. 热仿真准确性因素
  3.1 影响因素
  影响热仿真准确性的因素可概括为以下几点:仿真模型与实测样品参数间是否一致,如果存在偏差,偏差值是否在规定的标准范围内。如不在,则会对准确性构成影响;软件网络设置稳定性与否。
  仿真结果能不能得到收敛的解精确性。
  网格参数是否合理(备注:一旦问题得到了合适的求解,再增加网格的数量将不会再改变求解的结果),边界条件、环境设置。
  3.2 措施
  3.2.1 功耗准确性
  目前设计中提供的功耗参数多是依照规格书要求计算的,得出的最终仿真结果与实际结果相比偏高,与实际测量功耗参数间存在较大差异。所以在仿真设计中,为保证功耗准确性,需要对输入参数进行重新调整和处理,增加典型功耗输入参数等相关内容,尽可能缩减其与实际测量值间的差异。
  另外,做好仿真数据参数的对比、分析与总结:首先,掌握峰值功耗与实际测量功耗百分比之间存在的关系,之后通过峰值功耗的设置完成实际功耗参数的计算,提高两者间的一致性;其次,对存在的发热器件及热耗百分比之间的关系予以了解和掌握,并确定热耗器件功耗参数的准确性。这些数据资料可通过提交相关规格书予以了解,结合经验数据展开分析,确保参数的准确性。
  3.2.2 模型参数设置
  在模型构建中要保证模型参数与实际器件参数的一致性,这些参数中包括导热系数、辐射系数、双热阻系数等内容;在芯片封装确定中,要将引脚范围计算在内,确定最终散热值,保障相关参数设置的合理性、可靠性。
  3.2.3 边界条件设置
  工作人员要对环境温度观测,使其与实际测量值间保持一致;对器件的放置位置、条件要求及重力方向展开详细分析和考量,与实际情况保持统一;要求计算域完全满足物理问题处理的要求。
  3.2.4 网格设置
  在网格参数计算中要有效落实收敛效果;确保网格数量高度满足物理解决的相关要求。并在设置中坚持以少到多的原则,逐步开展计算工作,维护网格设置的合理性、有效性,避免意外问题的出现。
  4. 热仿真的意义
  4.1 短产品开发周期,节省开发资源,省去了多次修改散热方案的开发过程
  通过图1,我们可以清楚的看出,在开发中增加了热仿真设计可以有效的提高了产品开发效率,缩短了产品开发周期;减少了产品开发中的问题,保证了产品的最终质量。
  4.2 随着产品清晰度提高,功耗线性增加
  通过图2可以看出,随着人们对图像清晰度的提高,机顶盒类产品的功耗在线性增加,功耗的大部分能耗转为热能牟品外壳上散出,最终表现为产品的外表面温升增加,内部芯片温度增加。
  产品外观的发展趋势是尺寸越来越小,外壳材料由金属变塑料;通过图3,我们可以观察到机顶盒类产品外观尺寸大小随着年代增加尺寸越来越小;我们可以看到从2004初期阶段的机顶盒产品尺寸约是300*150*46(单位:毫米)到2019年左右的机顶盒类产品尺寸约是100*100*25(单位:毫米),产品尺寸缩小了几倍;同时产品的外壳材料由原来的金属外壳加局部塑料材料变为现在的全塑料材料,金属材料的散热性能明显优于塑料材料,同时塑料材料的热溶温度只有80℃左右,在高温下很容易变形溶解或者bd变色,如图4、图5。
  4.3 直观可见,热流动画
  随着计算机软件技术的发展,热仿真软件的功能也越来越强大,分析越来越全面;随着计算机硬件技术的提高,从硬件上支持了热仿真软件的计算速度越来越快;从而原来用在重要项目上的仿真工具也可以民用产品上普及使用。
  如图6、图7,热仿真软件通过我们的建模和运算最终可以提供给我们各种仿真结果,如截面热场、内部的最高温度点和动态热力图等,可使设计人员或客户直观看到热分布情况。
  4.5 科学计算得出最优散热方案
  利用热仿真软件不但可以根据实际情况仿真出实际散热情况,也可以利用软件根据产品实际情况,如使用条件、产品的外形尺寸和散热器种类等,通过改变影响散热的各种条件进行热仿真,如使用不同种类的散热器、同种散热器使用不同的尺寸或调整产品外形尺寸等,通过各种条件下的仿真和对比仿真结果,最终可以得出尺寸合适,温升满足客户要求的产品。
  5. 结束语
  根据上文论述可以看出,高效散热设计在机顶盒运行中有着非常重要的作用,保持散热设计的合理性是维护机顶盒运行安全与可靠性的关键;而热仿真为热设计提供了技术上的支持,热仿真的合理使用提高了产品的开发效率和保证产品的性能。
  参考文献:
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nlc202204081315



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