明導：熱管理在汽車(chē)電子設計過(guò)程中的重要性

Mentor Graphics(明導國際)近日發(fā)布一份題為《提高汽車(chē)產(chǎn)品的競爭力與可靠性 -- 熱管理在汽車(chē)電子設計過(guò)程中的重要性》的研究報告。

1.報告作者介紹

John Isaac，Mentor Graphics公司市場(chǎng)開(kāi)發(fā)部總監。

2.前言、背景

當今汽車(chē)中的電子類(lèi)功能(圖1)不斷增加，并將很快超過(guò)機械類(lèi)功能所提供的價(jià)值。電子類(lèi)功能也正成為車(chē)型的主要競爭元素。車(chē)型按時(shí)交付的制約因素已經(jīng)不再是機械設計，而是電子和軟件。因此不僅要快速設計出這些電子部件來(lái)，還要讓其具備較高的性能、質(zhì)量并滿(mǎn)足可靠性標準。如果它們的可靠性較低，且在售后出現故障，那么企業(yè)不但將承受巨額的保修和召回費用，還可能令其聲譽(yù)受損。

圖1 -- 當今汽車(chē)中的電子類(lèi)功能不斷增加

電子設備的主要熱源是其半導體芯片 (IC)，這些芯片對溫度非常敏感，使得冷卻方案的設計成了挑戰。過(guò)熱會(huì )使芯片過(guò)早失效。隨著(zhù)功能的增加，相關(guān)散熱問(wèn)題日益突顯，成為電子設備發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)潛在制約因素。對關(guān)鍵器件，需要合適的冷卻策略來(lái)防止其過(guò)熱和失效。

圖2 -- 包括電子控制單元 (ECU) 和泵控制器在內的所有汽車(chē)電子器件都需要良好的熱管理

3.全文要點(diǎn)與大綱如下：

為何要從概念設計階段開(kāi)始?

通過(guò)采用Mentor Graphics公司新的 FloTHERM XT 解決方案，機械設計師或熱設計工程師能輕松創(chuàng )建IC、PCB和機箱的概念模型，然后進(jìn)行模擬，看看能否有效散熱。如果能的話(huà)，那么從熱管理角度來(lái)看，設計就能進(jìn)行下去。如果任何一個(gè)其它設計部門(mén)的人員經(jīng)過(guò)概念階段后發(fā)現無(wú)法進(jìn)行下去，他們可能需要改變系統的功能規范、尺寸規格、使用的器件或其它一些因素。然而，如果在后續的開(kāi)發(fā)過(guò)程中才發(fā)現問(wèn)題并重新設計的話(huà)，所需成本就會(huì )顯著(zhù)增加。

從開(kāi)發(fā)過(guò)程的概念階段就開(kāi)始考慮熱設計的另一個(gè)原因是為后續詳細設計提供指導。在對PCB板或機箱進(jìn)行詳細的設計之前，設計人員能夠輕松創(chuàng )建并對比多種概念設計方案，然后選擇最好的方案，并使用這些數據為詳細的系統設計提供指導。

使用 FloTHERM XT 設計汽車(chē)元器件

如圖3所示為使用 FloTHERM XT 設計復雜部件的典型流程。該流程的第一步是PCB板的概念布局。這一步驟中，設計師可做出PCB板以及他/她知道將產(chǎn)生熱量的元器件的粗略模型。使用該工具時(shí)，可自己創(chuàng )建元件模型或從 SmartParts™ 庫中選取模型。SmartParts 庫包含完整的元器件模型以及可輕松修改成實(shí)際元器件結構的模板。然后，即可把這些元器件定位在概念設計PCB板上。

圖3 -- 使用 FloTHERM XT，在從概念到最終方案驗證的設計過(guò)程都與 MDA 和 EDA 設計工具密切整合。

然后設計師可以創(chuàng )建一個(gè)概念設計機箱，并將PCB板置于機箱內。FloTHERM XT 擁有完整的機械設計功能，因此，可根據需要細化元器件或者機箱的模型，以正確描述目標產(chǎn)品。PCB板置于機箱內以后，便可添加邊界條件并進(jìn)行 CFD 熱仿真分析。設計師可根據結果修改元器件布局、為過(guò)熱元器件添加散熱片、修改機箱，然后重新進(jìn)行分析。

持續該過(guò)程直至設計師滿(mǎn)意(他/她得到了很好的熱管理解決方案)為止。與熱相關(guān)的零部件正確放置于PCB板上。PCB板正確放置于機箱內。機箱形狀和材料可提供良好的傳導、對流或熱輻射散熱。然后，即可結束概念設計工作，信息傳遞給 MDA 和 EDA 設計師，用于詳細設計。

圖4 -- 擁有一個(gè)設計師和熱專(zhuān)業(yè)人員都可以使用的快速而準確的熱分析工具(與MDA 和 EDA 相結合)有助于滿(mǎn)足汽車(chē)公司積極的業(yè)務(wù)需求。

4.研究報告總結

使用 FloTHERM XT，設計工程師可進(jìn)行前端分析、把握趨勢、快速解決問(wèn)題、通過(guò)快速求解并對比不同的方案從而取得更大的項目進(jìn)展，以此有效補充專(zhuān)職分析人員在項目后期驗證階段的工作。和傳統CFD軟件相比，可將仿真周期時(shí)間從幾周縮短至幾天或一天。設計師可對比多種設計方案，開(kāi)發(fā)出更具競爭力和更可靠的產(chǎn)品，而較短的仿真周期時(shí)間則可加快產(chǎn)品上市(圖4)。