基于云的电子冷却数值模拟

2018年，全球电子行业实现收入9970亿美元¹预计到2024年将以5.6%的复合年增长率(CAGR)增长²．对性能更佳的新产品的需求促使企业不断创新，缩短上市时间。

这种创新需要高效的研发部门以及高效的设计和测试流程。对于后者，工程师经常使用数值模拟来比较不同的设计，以找到电子系统或部件的最佳设计。

为什么数值模拟很重要?

最具影响力的决策是在设计过程的早期做出的。在此阶段，数值模拟(或计算机辅助工程CAE)在确保良好的能源效率、低故障风险、适当的冷却和高系统性能方面发挥着基础性的作用。CAE通过模拟产品在不同条件和环境下的物理特性，实现了复杂的测试过程。

标准的数值模拟工作流程首先创建初始设计(CAD模型)，对其进行网格划分，添加边界条件，设置参数，运行分析，最后对结果进行后处理。然后对仿真结果进行分析，以改进设计。

在迭代设计过程中，这些步骤被重复，直到满足需求和确定最佳设计。这支持更快的产品开发，并消除或减少后期设计阶段所需的物理原型的数量。

虽然数值模拟已经存在了几十年，其优点众所周知，但模拟技术的本地云应用程序已经成为一种新的替代方案。

基于云的数值模拟的好处

所有云原生应用程序都是云原生的，这意味着它们只能为云环境构建并部署在云环境中。对于像数值模拟这样的计算密集型技术，云实际上是一个完美的选择。它的主要好处包括:

• 可访问性:传统的仿真软件需要在本地安装在昂贵的高性能计算机上，而这些计算机大部分时间都处于空闲状态。在基于云的解决方案中，所需要的只是一个网络浏览器。
• 可伸缩性:根据特定时间的需要，云可以访问不同的计算资源。这也适用于存储。当需要进行更复杂的数值模拟时，可以增加功率。
• 定价:基于云的解决方案具有很高的成本效益，因为它们不需要大量的硬件投资。它们通常作为SaaS应用程序(软件即服务)交付，这允许客户以订阅的方式付费。
• 技术:大多数现代工具都是为专家和有经验的仿真工程师设计的。基于云的模拟提供商通常关注易用性，并提供培训和现场支持，以帮助用户适应新环境。

案例研究:LED的热管理

对于LED照明系统以及任何电子系统，热管理都是工程师需要考虑的最重要的因素之一。不遵守操作温度限制可能导致组件过热、寿命缩短、昂贵的故障退货、系统故障，甚至对终端用户构成危险的风险。

为了降低这些风险，需要在设计阶段预测临界温度。在处理复杂和详细的模型(如电子或照明系统)时，这曾经是一项繁琐的任务。在出现热模拟和计算流体力学(CFD)，这些变量只能通过全尺寸实验、最坏情况估计和近似设计规则进行部分估计。

接下来的案例研究将展示工程师如何利用电子冷却策略和数值模拟来准确评估和验证LED聚光灯的性能。通过基于云计算的CFD，用户可以在很短的时间内以最低的成本测试他们的CAD模型。该仿真是在基于SimScale的云仿真平台上运行的(图1)．

LED聚光灯可以产生9瓦的热能，是一种相当常见的，同时也是一种节能的家用照明设备。

的共轭传热(CHT)分析类型，既解决了导热传热，又解决了对流换热现象。在考虑气流对流的情况下，利用CHT计算了散热器和其他固体组分的温度分布(图2)．

通过CHT模拟，目的是确认结温保持在90°C的运行限制下，防止过热。模拟结果将给出自然/被动冷却策略选择时的耗散评估(图3)．

由仿真可知，芯片的温度保持在72°C，低于90°C的运行限制;平均比它们附着的PVC板高30°C。这说明了芯片和板之间热接口的重要性。

此外，其余组件的温度相当均匀，并保持在一个合理的范围内，即低于26°C，这是安全的赤手。

该模拟评估了流动和热模式的LED聚光，考虑到设计具体和现实的材料性能，几何和尺寸。分析结果有助于确定72℃的加热芯片表面温度满足90℃的运行限制。这意味着被动对流冷却策略是充分的，并且组件可以保证最大的寿命运行。

结论

通过使用数值模拟，特别是基于云的解决方案，每个设计迭代周期的成本和时间都大大减少，最终创造出更便宜、更有竞争力的电子产品。

参考文献

1.”消费电子报告2020”,Statista。

2.”电子行业的增长率是多少?”,Investopedia。