自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1

我們?cè)谧霎a(chǎn)品分析時(shí)，多會(huì)發(fā)現(xiàn)一些器件仿真溫度與實(shí)測(cè)偏差很大的情況，這個(gè)時(shí)候多留意一點(diǎn)，細(xì)心觀察一下會(huì)獲得許多收獲與改進(jìn)。本文整理一篇管腳類器件散熱仿真與實(shí)測(cè)誤差進(jìn)行分析比對(duì)，共與大家一同學(xué)習(xí)參考。

問題來源

在做一款自然散熱產(chǎn)品仿真時(shí)，遇到一個(gè)功耗約為0.5W的二極管器件溫度明顯偏高，由于主要問題在二極管的溫度，因此將二極管單獨(dú)提取出來，專門研究分析：

環(huán)境溫度25℃

模型尺寸50×90×110（mm）

自然對(duì)流散熱

材料特性：外殼為塑料外殼，PCB板為導(dǎo)熱系數(shù)各向異性的FR4，二極管為導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為30的陶瓷材料，管腳為銅。功耗0.5W，其中，二極管外形建模方式如下：

模型1.1

仿真結(jié)果：

模型1.1溫度云圖

由圖中可以看出，二極管的最高溫度已經(jīng)達(dá)到了202℃，這顯然不符合常理。于是又仔細(xì)觀察實(shí)物，修正模型如下：

實(shí)物模型1.2

對(duì)其進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

模型1.2溫度云圖

由模型1.2仿真結(jié)果可以看出，現(xiàn)在二極管最高溫度為143℃?？梢姡捎诠苣_由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，二極管最高溫度相差59℃。可以看到：對(duì)管腳類器件的建模應(yīng)仔細(xì)按照實(shí)物建立，管腳的個(gè)數(shù)對(duì)器件的散熱影響很大。

修正管腳數(shù)量后，溫度仍然有很大的偏差，在實(shí)際中自然散熱狀態(tài)下功率為0.5w的二極管溫度也不會(huì)達(dá)到這么高，因此應(yīng)該還有其它導(dǎo)致溫度很高的原因。仔細(xì)觀察PCB板與二極管，發(fā)現(xiàn)了模型與實(shí)際不符的地方：

現(xiàn)有模型實(shí)際情況

由上圖可以看出現(xiàn)有模型中的管腳并未深入到PCB板中，而實(shí)際情況則是二極管的管腳穿透PCB板，因此對(duì)模型1.2進(jìn)行調(diào)整，使管腳深入到PCB板內(nèi)。

仿真結(jié)果如下：

模型1.3溫度云圖

由上圖可以看出，當(dāng)二極管管腳深入PCB板后，其最高溫度為66.7℃，與模型1.2對(duì)比，溫升下降了76.3℃之多！同時(shí)，41.7℃的溫升也與實(shí)際情況比較符合。對(duì)于二極管管腳是否深入到PCB板這種看似很小的問題，卻能帶來這么大的計(jì)算差異，可見在自然對(duì)流散熱中，通過管腳散出的熱量還是十分可觀的，一定不能忽略不計(jì)。

原因分析：

散熱的方式分為3類：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。在風(fēng)冷產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，器件主要通過對(duì)流換熱的方式帶走絕大部分熱量，因此在風(fēng)冷產(chǎn)品仿真建模時(shí)都是將功率管腳貼在PCB上即可，此時(shí)熱量多通過散熱器帶走，由于管腳與之相比熱阻大得多，通過管腳散走的熱很少，通過輻射散走的熱量更是微乎其微，因此這樣建模一般對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很小。而在自然換熱中，情況就變得復(fù)雜很多，管腳通過PCB板的導(dǎo)熱散熱、元器件的輻射散熱和對(duì)流換熱都要考慮，忽略了哪個(gè)都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有很大的偏差，以上的幾個(gè)模型對(duì)比很好的說明了這個(gè)問題。

如上我們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題，1，管腳的數(shù)量影響59℃，2，管腳插入pcb又降低76.3℃。那么哪個(gè)是主要原因？我們將模型1.1中的二極管管腳深入PCB板（建立模型1.4）再進(jìn)行仿真，結(jié)果對(duì)比如下：

模型1.4溫度云圖模型1.3溫度云圖（對(duì)比參考）

由上圖可見在二極管管腳深入PCB板后，管腳數(shù)不同所造成的溫度差異為6.1℃，由此可以得知，仿真誤差的主要原因就來自于管腳是否深入PCB板。

而對(duì)于管腳的仍然有個(gè)疑問，那就是，如果把單個(gè)管腳的截面加倍，那么是與兩個(gè)管腳的建模方式溫度又會(huì)相差多少？因此，在模型1.4的基礎(chǔ)上建立模型1.5，管腳加粗一倍，其它條件不變，仿真結(jié)果如下：

模型1.5溫度云圖

與雙管腳的模型相比，溫度差異為1.7℃。

此外，雙管腳的二極管還有一種形狀：

因此，按此外形建立模型1.6：

模型1.6

計(jì)算結(jié)果如下：

模型1.6溫度云圖

對(duì)比結(jié)果：

由上表可以看出：

1）對(duì)比模型1.3與1.6可知，雙管腳模型溫度與管腳外形（橫放豎放）關(guān)系不大（僅差0.1℃）。

2）可以用單管腳加粗的方式使精確度逼近雙管腳模型。

對(duì)于單雙管腳與管腳是否加粗的問題，由于本例研究的并非是作為十分重要的部件的二極管，而問題的出發(fā)點(diǎn)是這個(gè)本來應(yīng)該非重點(diǎn)關(guān)注的二極管卻溫度極高，因此，個(gè)人建議，在仿真項(xiàng)目中當(dāng)預(yù)計(jì)作為非主要部件的二極管的溫度對(duì)整體影響不大時(shí)，可以按照單管腳不加粗的模型建立，以加快建模和計(jì)算時(shí)間；而對(duì)功耗偏高，而且易影響到周圍器件的二極管，應(yīng)詳細(xì)建模以保證計(jì)算的準(zhǔn)確度。

另，由于二極管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)未知，因此一般建模時(shí)是直接將溫度賦值在二極管管體部分，而事實(shí)上二極管管體上大部分是封裝材料，而內(nèi)部的芯體才是熱源，封裝材料（一般是陶瓷）的導(dǎo)熱系數(shù)由于內(nèi)部芯體（一般是金屬）又有一定的差異，因此把發(fā)熱源設(shè)置在二極管內(nèi)部的一個(gè)芯體上，建立模型1.8，考察效果，計(jì)算結(jié)果如下：

模型1.8溫度云圖

由上圖可以看出，模型1.8熱芯的溫度為72.1℃，而管體的溫度為68~70.1℃，與模型1.3（之間模型中比較精確者）相比，管體的溫度相差2~4℃。由于模型1.8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不完全與實(shí)際一致，所以還需根據(jù)實(shí)測(cè)來確定哪個(gè)溫度更為接近實(shí)際值。然而可以得到如下的結(jié)論：當(dāng)要仿真的二極管屬于非重點(diǎn)考察對(duì)象且其溫度對(duì)其它器影響很小的前提下，可以忽略此（模型1.3與1.8之間的）差異，以加快仿真進(jìn)度。

另，PCB板一般是多層板,由絕緣材料(聚合體材料或FR4)構(gòu)成和幾層銅板構(gòu)成，因此層數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致PCB板間的用銅量不同，其導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)因此不同，然而我們可以根據(jù)下式計(jì)算出不同層數(shù)的PCB板的導(dǎo)熱系數(shù)：

k沿板面=∑(kiti)/∑ti

k沿板厚=∑ti/∑(ti/ki)

ki=fi*kcuorki=kFR4

fi=銅層含量

k=層的熱傳導(dǎo)率（W/(mK)）

t=層的厚度（m）

常用多層PCB板通常有4-10個(gè)銅層，因此計(jì)算其導(dǎo)熱系數(shù)大概取值范圍為：

沿板面27W/(mK)~68.6W/(mK)

沿板厚0.3W/(mK)

之前的仿真中，PCB板的導(dǎo)熱系數(shù)均按照沿板面27W/(mK)，沿板厚0.3W/(mK)的參數(shù)設(shè)置。為了考察不同層數(shù)的PCB板導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響，改變PCB板導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)同樣三種類型（單管腳、雙管腳1、雙管腳2）的二極管進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

模型1.9

模型1.10

模型1.11

對(duì)比之前溫度：

通過對(duì)比不同的PCB板導(dǎo)熱系數(shù)所得值可以看到，在三種模型下算得的溫度均相差不大（溫差在2℃之內(nèi)），因此根據(jù)以往的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)來看不需要再改動(dòng)參數(shù)即可較好的吻合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

綜上總結(jié)自然散熱管腳類器件flotherm仿真經(jīng)驗(yàn)如下：

1.對(duì)于管腳類器件的自然對(duì)流散熱的仿真，管腳需深入PCB板中，否則會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算誤差。

2.對(duì)于板級(jí)自然對(duì)流散熱的仿真，二極管管腳個(gè)數(shù)的多少可以通過等效換算成單根管腳的粗細(xì)度可以很好的接近實(shí)際模型，同時(shí)簡(jiǎn)化了建模。

3.對(duì)于板級(jí)自然對(duì)流散熱的仿真，二極管管腳的橫置豎置形狀的變化對(duì)最后的溫度計(jì)算影響很小，結(jié)合第2點(diǎn)運(yùn)用就可以在保證足夠準(zhǔn)確度的前提下，簡(jiǎn)化模型設(shè)置，加快仿真速度。

4.對(duì)于板級(jí)自然對(duì)流散熱的仿真，PCB板的材料屬性設(shè)置可以按照：沿板面27W/(mK)，沿板厚0.3W/(mK)做通用設(shè)置，可以保證一般要求。

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