Optimalizace chlazení elektroniky: Používejte simulaci k maximalizaci výkonu

Pro optimalní chlazení elektroniky využívejte simulaci

Chlazení je jednou z nejnáročnějších částí procesu navrhování elektroniky. Nemusí to tak však být, když začnete využívat CFD simulaci.

Co je výpočetní dynamika tekutin (CFD) a jak funguje? K řešení jakých problémů je vhodná? Podívejme se teď na zoubek chlazení jako významné součásti navrhování elektroniky.

Proč je chlazení v procesu navrhování kritické

Přesnější pochopení chlazení elektroniky je důležité z různých důvodů. Obecně platí, že spotřebitelé mají vyšší nároky na kvalitu. Chtějí větší spolehlivost za nižší cenu. Produkty spotřební elektroniky jsou stále menší, a to komplikuje jejich chlazení.

Optimální chlazení ovlivňuje celá řada faktorů, které na sebe mohou vzájemně působit. Jde zejména o:

• rozumnou provozní teplotu – produkt musí fungovat bezpečně a zároveň efektivně,
• velikost – čím menší rozměry, tím nižší proudění vzduchu a tím vyšší potřeba chlazení,
• hluk – větší ventilátory produkují více hluku, rozměrnější vstupy a výstupy umožňují tomuto hluku více proniknout ven.

Neschopnost zvládnout tyto faktory může mít potenciálně devastující účinky nejen na produkt, ale i na celou vaši společnost.

Síla CFD simulace je ve vizualizaci neviditelného

Odhalení potenciálních problémů dříve, než se projeví při používání zákazníkem, je tedy doslova životně důležité. Typický způsob, jak ověřit výkon výrobku, je fyzické prototypování a testování. Tento proces je však drahý a nedokonalý, takže i přes značnou časovou a finanční investici můžete vytvořit dílo, které nějakým způsobem zaostává.

V případě elektroniky je jedním z hlavních důvodů teplo. Přenos tepla a proudění vzduchu uvnitř krytů jsou v podstatě neviditelné. Není snadné je pochopit ani testovat v prototypu. Simulace CFD však tyto jevy zviditelní. Výpočetní dynamika tekutin vám poskytne možnost:

• Vizualizovat proudění vzduchu v celém prostoru produktu, abyste dokázali určit, zda jsou některé části ohroženy přehřátím.
• Pomocí jednoduché tepelné analýzy vidět, jak teplo vyzařuje skrz kryt, a předvídat, jestli komponenty neselžou.
• Simulovat různá řešení od ventilátorů po chladiče přeskupením PCB a najít nejvhodnější řešení.
• Definovat velikost ventilátorů a diktovat otáčky, abyste zjistili, zda nedochází k nadměrnému nebo nedostatečnému chlazení.

Výsledkem bude silnější a spolehlivější návrh a pochopení, proč tomu tak je. Sníží se počet prototypů a navrhování bude rychlejší a nákladově efektivnější.

Základy CFD simulace

Výpočetní dynamika tekutin využívá analýzu dat k vyřešení problémů, které zahrnují:

• proudění tekutin, včetně proudění vzduchu a přenosu tepla,
• vzájemné působení tepla a vzduchu s okolními materiály.

CFD software je často považován za virtuální větrný tunel, průtokovou lavici a tepelné zkušební zařízení v jednom.

Simulace obecně a CFD obzvláště se staly populárními proto, že tyto nástroje zaměřené na CAD umožňují testovat produkty digitálně v různých virtuálních prostředích pomocí skutečných 3D CAD modelů. Simulace poskytují data, která by bylo obtížné, nebo dokonce nemožné získat při fyzickém testování.

5 hlavních problémů, které CFD dokáže vyřešit

Zde je pět způsobů, jak může CFD simulace pomoci návrhářům překonat známé konstrukční výzvy související s chlazením.

1. Zmenšování produktů

Simulace CFD pomáhá návrhářům produktů vytvářet menší „skříně”, které obsahují stejnou elektroniku. S pomocí CFD můžete zmenšit velikost až o dvě třetiny a efektivním rozmístěním komponentů snižovat vnitřní teplotu na přijatelnou úroveň.

2. Zlepšení výkonu

Schopnost měnit zatížení a limity návrhu několika kliknutími umožňuje velmi rychle zjistit, zda stávající kryt bude kompatibilní s výkonnější elektronikou. Například Autodesk CFD dokáže změnit konfiguraci komponentů v rámci Autodesku Fusion 360 a poté přenese změny zpět do Autodesk CFD k analýze nového rozvržení.

Dalším způsobem, jak maximalizovat výkon, je pomocí zvýšení přítlačné síly. Tato změna by však mohla vést k vyššímu tepelnému zatížení a časem i k selhání součásti. Těmto situacím lze předejít interoperabilitou Autodesk CFD a Autodesk Nastran In-CAD, který poskytuje analýzu konečných prvků.

 

3. Snížení ceny

Pokud je vaší prioritou snížení nákladů, lze toho dosáhnout mnoha způsoby:

• nižší počet ventilátorů,
• levnější materiály, které však stále poskytují dostatečné chlazení,
• minimalizace doby montáže s menším počtem součástí,
• využití samotného krytu jako chladiče.

S CFD simulací rychle otestujete různé možnosti a určíte, která z nich je nejlepší.

4. Prodloužení životnosti

CFD simulace usnadňuje analýzu libovolného počtu podmínek. V rámci Autodesk CFD se můžete ujistit, že komponenty vydrží velké sluneční zatížení, teploty pod nulou nebo prašné a špinavé prostředí.

5. Optimalizace desky plošných spojů

Jak se elektronika stále zmenšuje, musíte používat menší PCB s více komponenty, které generují více tepla. Nástroje Autodesk CFD jsou specificky zaměřené na návrh a hodnocení PCB. Pomáhají optimalizovat vše:

• vrstvy desky,
• tloušťku,
• umístění součástí.

To všechno ještě předtím, než uděláte jediný prototyp.

 

Jak výrobce modemů použil analýzu CFD k zastavení přehřívání kritické součásti

Zde je reálný příklad, jak simulace CFD může pomoci s optimalizací proudění vzduchu a tepla (viz obr. 7).

Původní design této modemové jednotky se vyznačoval malým krytem a kritickou součástí bylo přehřívání na 62,8 °C. Nový design využíval rozměrnější pouzdro a offsetový ventilátor k přesměrování většího proudu vzduchu přes kritickou součást. Tento přístup snížil teplotu na 51,2 °C, která však byla stále příliš vysoká pro spolehlivý provoz.

Prostřednictvím CFD simulace se ukázalo, že nejlepším způsobem odvodu tepla bylo vedení. Optimalizovaný návrh odstranil chladič, aby se ušetřily náklady a hmotnost, a zvýšil obsah mědi na desce. Odstranění chladiče poskytlo menší odpor proudění, což umožnilo ventilátoru více pracovat. Tyto simulované změny snížily teplotu na 44 °C a ve finále umožnily vyrobit lehčí a cenově výhodnější modem.

Začněte vylepšovat návrhy elektroniky

Využijte simulaci CFD k radikálnímu snížení potřeby fyzického prototypování a testování. Poraďte se s odborníky a zjistěte, jak právě vám může software Autodesk pomoci využít všechny příležitosti simulace CFD.

Jako podklad byl použit originální text a obrázky z dokumentu Autodesku „Optimizing electronics cooling how product designers can use simulation to maximize performance and increase Innovation“.

Poradit se s odborníky