电子设备的热设计方法

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1、电子设备的热设计方法AngineMinichiello,P.E犹他州大学、空气动力学实验室Email：angela.minichiello@sdl.usu.eduChrisianBelady,P.E.HP公司、高性能系统实验室Email:belady@rsn.hp.com摘要这篇论文提出了用于设计多处理器企业服务器RP8400的热设计方法。这一方法包含了众所周知的分析和实验热设计工具，包括热交换相关性，流动网络模型（FNM）和计算流体动力学技术，以及实验测量。这一方法的优势在于它强调在产品每一个设计周期使用最适合的设计工具。因此，在设计的最初阶段

2、设计概念灵活多变，新的构思闪现。分析时间是相当重要的，所以在可接受的程度之内牺牲精度和细节可以大为的减少分析时间。具有更高精确度的详细分析是在开发周期最后阶段设计方案已经确定，无太多改变以及以最优化为目标时所采用的方法。应用这一方法在整个产品设计周期内热风险被系统性的减少了。论文在开头是概述这一热设计方法，对直接应用这一方法的企业服务器RP8400进行讨论，数学模型和实验结果被呈现和比较，之后又讨论了如何在今后的产品中提高散热设计。关键词：FNMCFD热设计电子散热系统分析术语表CEC复合核心电子芯片cfm立方英尺每分钟CPU中央处理单元DIMM

3、双通道记忆模块EMI电磁兼容HS散热器IO输入输出或IO芯片GB十亿字节lfm英尺每分钟MEMCON内存控制器芯片PCB印刷电路板PDH处理器的相依硬件Q体积流量Spec规格限制VRM电压调节模块XBAR横栏芯片１９希腊符号ΔT温差oCΘ热阻oC/W下标a室温bench实验室测量ch外壳至散热器ha散热器到室内环境j结点jc结点到外壳max最大值sys系统介绍系统热设计的最终目的不是预测元器件的温度而是减少产品与热有关的风险。如今存在于封装电源的电子设备的热风险，可以通过比较由于预料之外的热或可靠性问题所引起的不能满足项目计划的设计来得到证实。因

4、此热设计是工程师尽可能在产品设计早期对热和空气流动进行预测，从而揭示潜在的危险区域和完善可靠性方案的一系列过程方法。最终努力的目标是提供优化设计来满足或超过项目计划和元器件要求。如今许多工具都可以用来帮助热设计工程师进行热设计。诸如热交换关联，流动网络模型，计算流动动力学和实验测量技术。最有效和全面的热设计不是必须选择最“好”的工具进行设计，而是优化整和可以使用的工具和方法。这篇论文描述了用于RP8400企业服务器热设计的一整套方法。这个企业服务器最大单位面积的热流达到了800W/ft2。为了满足它严格的项目计划，RP8400企业服务器要求进行仔

5、细的热分析。依据这里所提供的方法，在整个产品设计周期内，热设计工程师可以在当要求不改变元器件散热方案，空气流动或布局的情况下来系统的减少热风险从而满足项目的计划.方法总结Biber&Belady第一个提出了正如这篇论文中所讨论后来形成称之为“强化产品设计周期”的热设计方法。按照这一方法，研发周期由概念产生、详细设计和硬件测试三个不同阶段所组成。如图1所示，在每一个阶段中最适用和最有利的热设计方法得到使用。因此，这个热设计方法提倡一个分析使用工具“变化”的过程，对比第一阶段和后续的阶段分析，当设计进入到下一个阶段新的分析方法或工具被采用。１９概念产

6、生阶段:这个概念发展阶段是产品设计周期的最初阶段。在这个阶段初期，产品概念是处于初始状态。这一阶段的显著特征就是因为来自各学科开会讨论要求和发展的新想法促使频繁的更替产品布局和要求。这里热设计工程师的目的是不厌其烦快速的分析方案和随时为提供设计改进的建议。这一阶段最终决定产品的布局满足或高于要求，在这一阶段结束时热设计工程师应获得：1完整的一个能够经受住每一个单元功率耗散的机械设计。2完整的空气流动方案（即大小，位置，和朝向）。3确定重要元件散热器的大小和位置及空气流量。4估计空气通过整个产品的温升。5确定热风险区域并提出必要的设计要求去减轻这种

7、热风险。概念产生阶段热工具或方法：基于他们使用的难易程度，求解时间快慢和要求，输入数据的限制（通常只有几何和流体数据）通常在这个阶段所使用的方法是广义的准则传热与流体流动，空白表格程序（诸如散热器的设计和优化）以及流动网络模型（FNM）技术，FNM的详细内容可以参考[3],[4],[5]。FNM技术是容易掌握的，当然在系统内部丰富的2维流动路径信息是必须清楚或估计的。FNM不能解决先进的3维流动或者当模型存在额外要求问题。尽管有可能的话子系统的流动实验数据会得到使用，但子系统流动阻力经验数据不是必需的。最少空气流动数据是必需的。以软件为基础的求解

8、，运行时间特别的短。详细设计阶段:一旦一个特定的设计被采用，开始细致的进行详细设计工作，热设计工程师必须关注确定产品内部热风险的区域。这