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提高汽车产品的竞争力与可靠性——热管理在汽车电子设计过程中的重要性

Mentor Graphics公司,市场开发部总监, John Isaac

当今汽车中的电子类功能(图1)不断增加,并将很快超过机械类功能所提供的价值。电子类功能也正成为车型的主要竞争元素。车型按时交付的制约因素已经不再是机械设计,而是电子和软件。因此不仅要快速设计出这些电子部件来,还要让其具备较高的性能、质量并满足可靠性标准。如果它们的可靠性较低,且在售后出现故障,那么企业不但将承受巨额的保修和召回费用,还可能令其声誉受损。例如在2011年,劳斯莱斯 (Rolls-Royce) 不得不召回600辆价值25万美元的古思特 (Ghost) 轿车,因为过热的电路板可能引起火灾。人们可不希望这种质量和可靠性的汽车发生此类危险。


图1——当今汽车中的电子类功能不断增加

电子设备的主要热源是其半导体芯片 (IC),这些芯片对温度非常敏感,使得冷却方案的设计成了挑战。过热会使芯片过早失效。随着功能的增加,相关散热问题日益突显,成为电子设备发展过程中的一个潜在制约因素。对关键器件,需要合适的冷却策略来防止其过热和失效。

下面列举了一些促使热专家和设计人员在设计过程中(从概念到设计探究和优化到最终方案验证)使用高效的计算流体力学 (CFD) 热模拟软件的因素:

  • 让产品及时面市。比计划晚哪怕仅仅几周都可能推迟新车型的交付,令汽车公司损失数百万美元。
  • 让设计人员能够尝试多种设计方案。打造出更高质量、更优性能和更具竞争力的产品。
  • 减少样机数量。样机会耗费相当多的资金和时间。
  • 交付可靠性高的产品。节约保修和召回费用,保持企业良好声誉。

使用机械设计自动化 (MDA) 软件的机械设计人员负责产品除集成电路 (IC) 与PCB板以外其他所有部件的结构设计。因此他们需要与使用电子设计自动化 (EDA) 软件的电子设计人员合作。过去,MDA 与 EDA 这两个领域通常仅通过传递全部数据的IDF 标准来交互数据,该方法没有传递散热相关信息的数据过滤器。这就导致带入热分析的设计细节过多,使 CFD 模拟要么需要设计人员手工简化模型,要么就要承受模型机械造成的过长的 CFD 运行时间或收敛差。


图2——包括电子控制单元 (ECU) 和泵控制器在内的所有汽车电子器件都需要良好的热管理

为何要从概念设计阶段开始?

良好的热管理应当在开发过程的概念阶段就开始设计。这些产品常常是复杂的系统,需要几个不同背景设计部门的协作:IC和(FPGA) 工程师、PCB板布局工程师、制造工程师、软件开发人员、可靠性工程师、机械设计师、营销、无线射频和高速电气工程师等等。在概念阶段需做出与产品的可行性相关的决定。其中就涉及到“根据给定的空间、尺寸规格、想要的性能与功能等条件,系统产生的热能得到有效管理吗?”

通过采用Mentor Graphics公司新的 FloTHERM XT 解决方案,机械设计师或热设计工程师能轻松创建IC、PCB和机箱的概念模型,然后进行模拟,看看能否有效散热。如果能的话,那么从热管理角度来看,设计就能进行下去。如果任何一个其它设计部门的人员经过概念阶段后发现无法进行下去,他们可能需要改变系统的功能规范、尺寸规格、使用的器件或其它一些因素。然而,如果在后续的开发过程中才发现问题并重新设计的话,所需成本就会显著增加。

从开发过程的概念阶段就开始考虑热设计的另一个原因是为后续详细设计提供指导。在对PCB板或机箱进行详细的设计之前,设计人员能够轻松创建并对比多种概念设计方案,然后选择最好的方案,并使用这些数据为详细的系统设计提供指导。

使用 FloTHERM XT 设计汽车元器件

如图3所示为使用 FloTHERM XT 设计复杂部件的典型流程。该流程的第一步是PCB板的概念布局。这一步骤中,设计师可做出PCB板以及他/她知道将产生热量的元器件的粗略模型。使用该工具时,可自己创建元件模型或从 SmartParts™ 库中选取模型。SmartParts 库包含完整的元器件模型以及可轻松修改成实际元器件结构的模板。然后,即可把这些元器件定位在概念设计PCB板上。

图3——使用 FloTHERM XT,在从概念到最终方案验证的设计过程都与 MDA 和 EDA 设计工具密切整合。

然后设计师可以创建一个概念设计机箱,并将PCB板置于机箱内。FloTHERM XT 拥有完整的机械设计功能,因此,可根据需要细化元器件或者机箱的模型,以正确描述目标产品。PCB板置于机箱内以后,便可添加边界条件并进行 CFD 热仿真分析。设计师可根据结果修改元器件布局、为过热元器件添加散热片、修改机箱,然后重新进行分析。

持续该过程直至设计师满意(他/她得到了很好的热管理解决方案)为止。与热相关的零部件正确放置于PCB板上。PCB板正确放置于机箱内。机箱形状和材料可提供良好的传导、对流或热辐射散热。然后,即可结束概念设计工作,信息传递给 MDA 和 EDA 设计师,用于详细设计。

随着设计过程继续进行,EDA 和 MDA 软件中的详细设计模型可自动导入 FloTHERM XT,进行分析和优化。通过一个名为 FloEDA Bridge™ 的接口程序可导入详细的PCB板模型。在该接口程序可设置过滤条件,过滤掉PCB板设计中,众多与热无关的去耦电容、终端电阻、圆角等不必要的模型细节。如果在 CFD 分析中这保留些不必要的细节,将会使仿真计算速度变慢。FloEDA Bridge 直接操作PCB板设计工具的原始数据库,不像IDF标准一样需要进行参数创建和修改,另外,还可手动添加边界条件和元器件热模型。

在将机械设计(机箱)导入进 FloTHERM XT时,也具有同样的优点。还是直接从任一主流 MCAD 工具(Creo、CATIA、NX、SolidWorks 等)的原始数据中提取模型,不相关的细节则被过滤掉。然后,CFD 求解器的一些内在功能,就成为提供非常快速的仿真周期以及让设计师和专业人员能够进行高效准确热分析的关键。

图4——拥有一个设计师和热专业人员都可以使用的快速而准确的热分析工具(与MDA 和 EDA 相结合)有助于满足汽车公司积极的业务需求。

传统的 CFD工具需要使用者具有高水平的专业技术和大量时间来准备仿真模型。这包括模型的手动清理、求解网格的手动调整(这个步骤可能需要专职工程师花费数周时间)以及确保求解收敛的其他改动。使用传统的 CFD,在一个设计周期可能需要数周时间来获取一次仿真结果。然后,设计可能还要继续进行,又需要另一个设计周期。

使用 FloTHERM XT,设计工程师可进行前端分析、把握趋势、快速解决问题、通过快速求解并对比不同的方案从而取得更大的项目进展,以此有效补充专职分析人员在项目后期验证阶段的工作。和传统CFD软件相比,可将仿真周期时间从几周缩短至几天或一天。设计师可对比多种设计方案,开发出更具竞争力和更可靠的产品,而较短的仿真周期时间则可加快产品上市(图4)。