航电系统可靠性分析.pdf
《航电系统可靠性分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《航电系统可靠性分析.pdf(12页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、航电系统可靠性分析 过热管理w w w.s i m u c a d.c o m航电系统可靠性分析过热管理2 13 电子设备中的热量主要来源于半导体芯片,而这些芯片的热敏感性对制冷技术构成了严峻的挑战。过热导致芯片过早失效,即使只有一个芯片失效,也将影响整个设备的运行。芯片温度越高,损坏越快。随着产品功能的增加,相关散热性被认为是电子产品发展的潜在障碍。为防止关键组件过热失效,我们需要采取一些合理的冷却措施。许多行业都需要高可靠性系统。然而在航空电子领域,除了系统供应商所暴露出的保修、回收、信誉问题外,系统不可靠性也成为了一个安全问题。当多功能高性能的系统需要装进相对较小的机箱中时(例如,预定义
2、的驾驶舱单元),电路所产生的热量变得极难管理。过去,航空电子系统需要很长的开发周期,然而现在,新改良的系统大大缩短了这个周期(从概念设计到产品上市)。由于推迟产品的发布时间会影响到整个航空电子系统的交付。(787第一次延误交付的原因之一就是这个问题)。因此,我们需要思考:如何去提高电子产品的可靠性。电子产品系统性能越高,小机箱中的器件功耗越大。所以在整个设计过程中,都需要有良好的热管理方案。电子产品的热仿真过程需要快速准确,并且能够与复杂的设计过程相融合。通常其项目负责人并不是CFD流体力学领域的专家,他们不愿花太多时间学习详细的CFD理论,以及从事复杂的网格划分工作。机械工程师通常要负责整套
3、设备各方面的机械设计,并不仅仅限于PCB布局的电子设计。他们还将负责设备的外壳设计、各个PCB和元器件的合理布局,确保结构的整体一致性和设备运转的安全可靠性。散热和冷却设计虽然很关键,但也只是他们所关心的众多事情中的一件。航空电子设备需要高性能散热组件,且该组件能装进相对较小的机箱中航电系统可靠性分析过热管理3 13 机械工程师需要和使用EDA软件的电子设计工程师以及使用其他使用CAD的机械工程师合作。从概念设计到研究及优化再到最终的验证,整个产品设计过程都需要用到热设计软件。这些多样性的需求对软件的开发,尤其是对其界面、数据管理和集成有重要的意义。传统上,基于CFD的热设计软件是需要工程分析
4、师具备热设计专业知识和 CFD 操作技术的。如今这些工程师仍然还是电子公司的核心。然而,基于 CFD 的热设计应用群已经逐渐扩大,其中包括机械设计工程师、电气工程师、可靠性工程师(图 1)。因此,设计一款软件变得更加具有挑战性,其需要能够进行用户界面(UI)设计、几何图形预处理、CFD术语和功能的模糊处理、结果后处理,网格划分及求解器计算,并能兼容机械设计例如CAD、CAE、EDA软件等。通用CFD软件远不能满足这些需求,因此用于优化电子散热设计的FloTHERM XT则就此产生。无人驾驶机中航电系统和有效载荷系统周围的气流及温度分布。图1:参与航空电子热设计的工程师类型航电系统可靠性分析过热
5、管理4 13 内部电子设备是许多固体对象的复杂组合(如PCB,电子封装设备,综合布线,风扇和散热片)空气流动被局限在这些固体对象间狭小的区域内。空气中的对流传输,和固体内的导热(其中可能存在极其复杂的内部结构)是至关重要的。分析涉及大量的此类对象(有时甚至是成千上万个),它们的规模差异极大(从米到微米不等)。由于这种复杂性,电子产品对热仿真系统提出来了独特的挑战,包括几何捕获,规模差异,缺少数据(如组件热数据、功耗、材料属性、层厚度、界面电阻)、过渡流、网格生成、硬件环境及准确性。在详细设计中,几何模型集合了EDA和CAD设计流程。由于IC 和PCB 设计都是使用电路图设计的,所以面临的一个特
6、殊挑战是需处理EDA系统电子产品的二维示意图。PCB设计工具只需了解PCB布局,无需了解元器件高度等最基本的几何信息。关于芯片封装内部几何结构的详细信息通常是不需要的。源于摩尔定律的小型化导致产品至内部元器件及电路系统之间的尺寸差距加大。通常同一模型中包含从米到微米间的部件,并且管道中的小裂口同样对电子散热有重大影响。随着规模差异随时间逐渐增大,当几何模型不能直接在仿真过程中显示时,将需要简化模型,诸如针对多层PCB中的单层PCB和IC封装芯片,其内部结构通常未知。从概念设计到最终产品过程中的热设计问题几何模型捕捉规模等级航电系统可靠性分析过热管理5 13 电子散热应用面临的另一个挑战缺失值。
7、三维机械设计CAD系统缺少材料的属性值,CFD仿真通常也会遇到这种问题。对于电子散热应用来说,系统是由来自多个供应商提供的元器件组成的,这些元器件的热特性信息通常不够明确。这些元器件包括IC 封装、热管、风扇、制冷设备等。这些几何模型部分来自于EDA系统,而EDA 系统通常不包括所使用材料的任何信息。这就增加了电子系统装备的复杂性,其中热界面材料和导热填隙的使用可以增进热传导以实现有效的散热方案。大功耗器件利用其运行功率信息以预测其运行环境下的系统温度,功率信息根据产品使用功能的不同而改变。当元器件在最大功率时的稳态运行条件下进行设计,将会导致过度设计,这是不可取的。越来越多地需要瞬态模拟以确
8、保运行可靠和谨防过度设计。在复杂的电子系统中,强制冷却气流在通道中受到各种凸起元件(模块)的阻碍而形成低雷诺数流动。而且沿着壁面流动的湍流并不能自身长期保持,当在流过光滑的通道时会变成层流。因此湍流模拟是一个特殊的挑战。在一个快速的设计环境中,由于大量气流通道、器件以及系统滞留时间的存在,利用足够细化的网格进行大涡模拟(LES)是完全不现实的。直到近期,用标准双方程雷诺传输定理模型实例开始被质疑。零方程有效粘度模型通常加入测试湍流粘度,因为低网格密度通常引起单方程和双方程模型预测的湍流粘度值比由经验数据和总体流动速度估计值还差(与测试值比较)。当使用标准通用的壁函数处理(对数定律,van dr
9、iest,1/7th 幂律)时,单方程和两方程模型的关键是优化靠近表面的网格,以便为近壁网格提供y+值,实现至气流中心部分的低度网格膨胀。在电子应用中,边界层位于元器件、PCB 板、散热片等的前边缘,导致大量边界薄层在系统内分解,所以不能遵循在y+的标准建议。如此,LVEL 3是应该选择的模型。但是,电子散热应用的嵌入边界处理就解决了这一问题。虽然网格生成是CFD共有的基本属性,但是对电子散热来说仍然是一个挑战,因为这一领域中有相当数量的固体-液体和固体-固体界面的存在。几何模型变化需要软件全自动化处理,网格划分时,网格超出预设范围也需要软件全自动化处理。如果对未封装电子设备的外观没有审美要求
10、,那么运用EDA系统对元器件和PCB进行二维设计的话,电子产品中会包含大量的笛卡尔乘积,因此CAD设计会采用笛卡尔网格划分。但是,由于尺寸的限制,电子设计师在设计时需要在板上倾斜放置元器件,以某个倾斜度插入DIMM双列直插内存模块,以及设计非笛卡尔剖面的散热器。缺失值气流流态网格生成航电系统可靠性分析过热管理6 13 将物体上的笛卡尔网格应用到解域的边缘是不恰当的,因为一旦详细的结构建模应用到模型中时,会导致网格数目激增。因此,运用笛卡尔网格对物体内部和周围进行局部网格细化是很普遍的,可以对非笛卡尔网格划分的物体采用局部孔隙度和体素化的处理方法,大部分情况下精确度是可以接受的。随着电子设备系统
11、中非笛卡尔网格几何模型的增多,需要采取复杂精密的网格划分策略。近些年来,很多行业在早期产品设计中,运用集成在MCAD系统中的CFD进行仿真,并越来越多地采用四面体网格划分。产品设计过程是基于公司的三维机械CAD系统。在电子领域中,产品设计过程在公司间差异很大。集成CFD 的MCAD系统可能不太常用,因为大部分产品的早期设计经常在三维机械CAD环境之外,并且设计过程可能会围绕公司的EDA工作流。因此,在设计独立的产品中才能运用集成在MCAD 系统中的CFD 进行仿真。一般来说,热设计和电子设计是同步进行的。高性能计算(HPC)设备在散热领域的CFD应用远不及在其他工业领域的应用;例如在汽车行业,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 系统 可靠性分析
限制150内