基于Ansys Icepak的散热器优化设计

1.      简介

Ansys Icepak是专业的、面向工程师的电子产品热分析软件。借助Icepak的分析，用户可以减少设计成本、提高产品的一次成功率，改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的上市时间。本文通过Icepak建立了一个简单的电子系统热仿真模型，通过对散热器的优化，使系统的的最高温度处于设计要求范围内（< 70 ℃）。

2.      模型

模型由PCB、芯片、风扇、以及散热器组成。PCB的材料设为正交各向异性，平面内的导热系数为600 W /（K·m），法向导热系数为0.4 W /（K·m）；9个芯片的发热功率均为20 W；风扇的体积流量为0.035 m3/s；散热器类型为挤压铝散热器。

初始散热器的总高度设为6 mm，翅片数为10个，如下所示。

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3.      网格划分

为了提高网格质量并减少网格数目，创建一个包含风扇的assembly和一个包含所有芯片及散热器的assembly，划分网格如下：

4.      求解分析

对建立的仿真模型进行求解，得到温度云图如下：

由温度云图可知电子系统最高温为79.9℃，超过了设计要求，因此需要对散热器进行优化。

5.      散热片优化

对散热器的高度和翅片数进行优化，以使系统的温度低于70℃。

5.1. 定义变量

将散热器的高度和翅片数分别定义为fin_h和fin_count变量，fin_h的范围为6-10 mm，fin_count的范围为10-16。如下所示。

5.2. 定义函数

定义一个名为mxtemp的函数，限制系统的最高温度为70℃；另外定义一个名为HS_mass的目标函数，使系统的温度达到要求时要求时散热器的质量尽可能的小。

5.3. 优化求解

每次优化迭代求解完成后，icepak会列出该迭代步下的函数及变量对应的值。

由上图可看出Icepak进行了四次计算，3和4这两次迭代求解满足了系统的温度要求。由于第4次迭代对应的散热器质量小于第3次迭代对应的散热器质量，因此icepak给出的最优解为第4次迭代对应的散热器参数（fin_h为7.3mm，fin_count为13）。

查看此时的温度云图，系统最高温度为69.7℃，满足低于70℃的要求。

6.      总结

本文通过Ansys Icepak的优化功能对散热器进行优化设计，使得电子系统的温度能处于规定的温度范围之内，说明电子产品在热设计过程中，利用Icepak的优化功能可以方便有效地对散热器的形状、质量、热阻等进行优化，以达到设计要求。

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