ANSYS Workbench多物理场模拟：电源模块性能解析

导读：在较短的研发周期内，对复杂的电子产品进行设计，将ANSYS Workbench运用到产品研发中，不失为一种高效的方法。

在快节奏的消费电子产品市场上，企业面临着压力，要求缩短研发周期，提高产品的可靠性，快速上架并热卖。在增加产品复杂性的同时，研发周期大大缩短，一个行之有效的方法就是引入CAE仿真软件。
 

引入分析工具，设计工程师能够生成物理模型的虚拟结构，基于产品所处于的真实物理环境，对其进行CAE分析计算。引入分析工具可以使产品的复杂性得以提前验证，同时也缩短设计周期。这比传统上试错原型的方法要快得多。
 

当前，很多机构已经对各类工程学科采用了模拟过程。传统上，工程师分别使用流体、热、结构或电子分析工具来设计产品的特定方面。然而不同物理场的隔离、断开，工程师们无法考虑到产品所有的设计可能会对其他学科或整个系统造成的影响。
 

ANSYS软件的功能使工程师能够深入了解特定的多物理现象以及它们之间的相互关系。电力工程师可以考虑到由于导体的焦耳加热造成的材料电阻率的变化，可以在CAE软件中看到电路板内的电压损失、热流分布。
 

通过ANSYS Workbench，可以将结构、热、流体和电磁场解算器结合在一起以实现真正的多物理模拟，可以在这些解算器之间自动共享几何图元，以考虑场与场之间的耦合影响。
 

使用共享几何图形，ANSYS Workbench平台可以建立不同的物理场，专家可以为他们的特定学科进行单一物理模拟，在Workbench下拖动场与场之间的数据链，可以实现对多个物理场之间的系统级耦合分析。这种协作设计模式意味着所有的专业都可以在模拟的初始阶段进行处理，而不是在昂贵的原型制造阶段或最终生产阶段再进行测试实验。
 

某电力输送装置，在其设计过程中必须考虑多物理场之间的影响，它必须符合特定的标准才能上架。美国联邦通信委员会规定其必须满足有关电气排放的任务（FCC）法规以及公共办公环境中的声噪声标准以及产品可靠性的热考虑。在三维有限元电磁场求解器Ansys HFSS中可以模拟电发射测试，以确定设计是否通过fcc电磁干扰(Emi)。在这种情况下，HFSS可以帮助设计者看到，将通风配置为较大的槽和更改为较小的圆孔对EMI的影响。
 

虽然较小的孔有助于控制EMI，但如果通风口狭小，限制了冷却所需的空气流量，则可能会给热管理工程师带来问题，导致设备过热。
 

利用Ansys Icepak进行热分析可以建立多种设计变化的模型，以验证热可靠性的需要。Icepak是一种用于建模系统的电子热管理仿真工具，如集成电路(IC)封装和印刷电路板(PCB)等等。
 

这个软件使用稳健的计算流体动力学(CFD)技术计算热流分布，使工程师能够在冷却风扇运行的同时预测设备的内部温度；改变通风配置可能需要增加风扇速度，以防止过热。例如，设备在6瓦的功耗下运行，原始的风扇配置必须保持3500rpm的工况，产品最高温度在110℃的目标以下。而对于较小的通风口，风扇转速则必须增加到4600rpm，以保持在相同的目标温度以下。
 

热工程师可以和EMI工程师一起，为他们的联合设计目标找到最佳解决方案。如果不能选择提高风扇转速，EMI工程师可以尝试不同的通风形状，甚至采用优化方法来解决热和EMI的问题。
 

一旦考虑到电磁效应和传热，就必须考虑气动声学。改进通风口设计，提高风机转速，解决电磁干扰和散热问题。但是这些变化可能会影响到设备在运行过程中发出的噪声，消费者不会接受在家里或工作空间中较大的噪音风扇，因此热管理必须让风机保持在低噪音水平上运行。
 

ANSYS FLUENT可以通过气动声学CFD分析，模拟得到噪音的分布。人类可听到噪音源振幅来自压力。原始设计的可听频率是小于50分贝(dB)的噪声，其足够低，可以混合到背景噪声中。
 

电源设备示意图：必须满足电力排放、热量输出和噪音水平的具体标准，然后才出售

HFSS模拟预测开口对EMI的影响，不符合fcc的规范

在设备的运行过程中，压力的湍流波动与风机、壳体和电子元件的固体表面相互作用，使其成为噪声源。Fluent可以用于在给定的频率范围内生成设备内部噪声源的三维云图。风扇产生的核心湍流区与风扇叶片、放置在风扇附近的大型电子元件相互作用，这种相互作用导致噪音水平升高，解决这个问题需要进一步的设计改变。

局部空气压力的近壁湍流波动所生成的噪声源空间分布，涡核区(左)、声压水平在500赫兹(右)

根据HFSS的预测，进行了两项设计更改：

(上图)替换大风扇通风口；(下图)用更多的小圆孔替换侧通风槽

HFSS模拟显示了通风变化对电磁辐射的影响。红线是最初设计的电磁辐射，而蓝线是修改设计后的EMI电磁辐射。

使用Icepak对原始设计进行模拟，如果保持内部温度在110℃以下，风机转速必须在3500RPM

对优化工况（小圆孔散热孔）要保持在110℃以下，风扇速度必须提高到4600 RPM

原始结构和优化结构的噪音分布曲线

通过这个电源模块的例子可以看出，Ansys Workbench允许工程师用虚拟设计CAE仿真，来对产品所处的多物理场来进行大量的模拟评估。无需费力去做样机，并对其进行测试。通过使用模拟驱动设计的过程，使工程师能够更紧密地协作和协作。
 

通过一套业界领先的解决方案，并在同一个界面下完成协同工作，Ansys Workbench提供了从系统级别分析多个物理场问题的能力，可以将很多关键问题在产品的设计阶段就及早发现，并对产品进行优化开发，大大缩短了研发的周期。
 

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