當(dāng)今汽車中的電子類功能(圖1)不斷增加，并將很快超過機械類功能所提供的價值。電子類功能也正成為車型的主要競爭元素。車型按時交付的制約因素已經(jīng)不再是機械設(shè)計，而是電子和軟件。因此不僅要快速設(shè)計出這些電子部件來，還要讓其具備較高的性能、質(zhì)量并滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)。如果它們的可靠性較低，且在售后出現(xiàn)故障，那么企業(yè)不但將承受巨額的保修和召回費用，還可能令其聲譽受損。例如在2011年，勞斯萊斯(Rolls-Royce)不得不召回600輛價值25萬美元的古思特(Ghost)轎車，因為過熱的電路板可能引起火災(zāi)。人們可不希望這種質(zhì)量和可靠性的汽車發(fā)生此類危險。
圖1當(dāng)今汽車中的電子類功能不斷增加
電子設(shè)備的主要熱源是其半導(dǎo)體芯片(IC)，這些芯片對溫度非常敏感，使得冷卻方案的設(shè)計成了挑戰(zhàn)。過熱會使芯片過早失效。隨著功能的增加，相關(guān)散熱問題日益突顯，成為電子設(shè)備發(fā)展過程中的一個潛在制約因素。對關(guān)鍵器件，需要合適的冷卻策略來防止其過熱和失效。
下面列舉了一些促使熱專和設(shè)計人員在設(shè)計過程中(從概念到設(shè)計探究和優(yōu)化到終方案驗證)使用的計算流體力學(xué)(CFD)熱模擬軟件的因素：
♦ 讓產(chǎn)品及時面市。比計劃晚哪怕僅僅幾周都可能推遲新車型的交付，令汽車公司損失數(shù)百萬美元。
♦ 讓設(shè)計人員能夠嘗試多種設(shè)計方案。打造出更高質(zhì)量、更優(yōu)性能和更具競爭力的產(chǎn)品。
♦ 減少樣機數(shù)量。樣機會耗費相當(dāng)多的資金和時間。
♦ 交付可靠性高的產(chǎn)品。節(jié)約保修和召回費用，保持企業(yè)良好聲譽。
使用機械設(shè)計自動化(MDA)軟件的機械設(shè)計人員負(fù)責(zé)產(chǎn)品除集成電路(IC)與PCB板以外其他所有部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此他們需要與使用電子設(shè)計自動化(EDA)軟件的電子設(shè)計人員合作。過去，MDA與EDA這兩個領(lǐng)域通常僅通過傳遞全部數(shù)據(jù)的IDF標(biāo)準(zhǔn)來交互數(shù)據(jù)，該方法沒有傳遞散熱相關(guān)信息的數(shù)據(jù)過濾器。這就導(dǎo)致帶入熱分析的設(shè)計細(xì)節(jié)過多，使CFD模擬要么需要設(shè)計人員手工簡化模型，要么就要承受模型機械造成的過長的CFD運行時間或收斂差。
為何要從概念設(shè)計階段開始?
圖2包括電子控制單元(ECU)和泵控制器在內(nèi)的所有汽車電子器件都需要良好的熱管理
良好的熱管理應(yīng)當(dāng)在開發(fā)過程的概念階段就開始設(shè)計。這些產(chǎn)品常常是復(fù)雜的系統(tǒng)，需要幾個不同背景設(shè)計部門的協(xié)作：IC和(FPGA)工程師、PCB板布局工程師、制造工程師、軟件開發(fā)人員、可靠性工程師、機械設(shè)計師、營銷、無線射頻和高速電氣工程師等等。在概念階段需做出與產(chǎn)品的可行性相關(guān)的決定。其中就涉及到“根據(jù)給定的空間、尺寸規(guī)格、想要的性能與功能等條件，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能得到有效管理嗎?”
通過采用MentorGraphics公司新的FloTHERMXT解決方案，機械設(shè)計師或熱設(shè)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，那么從熱管理角度來看，設(shè)計就能進(jìn)行下去。如果任何一個其它設(shè)計部門的人員經(jīng)過概念階段后發(fā)現(xiàn)無法進(jìn)行下去，他們可能需要改變系統(tǒng)的功能規(guī)范、尺寸規(guī)格、使用的器件或其它一些因素。然而，如果在后續(xù)的開發(fā)過程中才發(fā)現(xiàn)問題并重新設(shè)計的話，所需成本就會顯著增加。
從開發(fā)過程的概念階段就開始考慮熱設(shè)計的另一個原因是為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計提供指導(dǎo)。在對PCB板或機箱進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計之前，設(shè)計人員能夠輕松創(chuàng)建并對比多種概念設(shè)計方案，然后選擇的方案，并使用這些數(shù)據(jù)為詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。
使用FloTHERMXT設(shè)計汽車元器件
如圖3所示為使用FloTHERMXT設(shè)計復(fù)雜部件的典型流程。該流程的步是PCB板的概念布局。這一步驟中，設(shè)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，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際元器件結(jié)構(gòu)的模板。然后，即可把這些元器件定位在概念設(shè)計PCB板上。
圖3使用FloTHERMXT，在從概念到終方案驗證的設(shè)計過程都與MDA和EDA設(shè)計工具密切整合。
然后設(shè)計師可以創(chuàng)建一個概念設(shè)計機箱，并將PCB板置于機箱內(nèi)。FloTHERMXT擁有完整的機械設(shè)計功能，因此，可根據(jù)需要細(xì)化元器件或者機箱的模型，以正確描述目標(biāo)產(chǎn)品。PCB板置于機箱內(nèi)以后，便可添加邊界條件并進(jìn)行CFD熱仿真分析。設(shè)計師可根據(jù)結(jié)果修改元器件布局、為過熱元器件添加散熱片、修改機箱，然后重新進(jìn)行分析。
持續(xù)該過程直至設(shè)計師滿意(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(nèi)。機箱形狀和材料可提供良好的傳導(dǎo)、對流或熱輻射散熱。然后，即可結(jié)束概念設(shè)計工作，信息傳遞給MDA和EDA設(shè)計師，用于詳細(xì)設(shè)計。
隨著設(shè)計過程繼續(xù)進(jìn)行，EDA和MDA軟件中的詳細(xì)設(shè)計模型可自動導(dǎo)入FloTHERMXT，進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過一個名為FloEDABridge™的接口程序可導(dǎo)入詳細(xì)的PCB板模型。在該接口程序可設(shè)置過濾條件，過濾掉PCB板設(shè)計中，眾多與熱無關(guān)的去耦電容、終端電阻、圓角等不必要的模型細(xì)節(jié)。如果在CFD分析中這保留些不必要的細(xì)節(jié)，將會使仿真計算速度變慢。FloEDABridge直接操作PCB板設(shè)計工具的原始數(shù)據(jù)庫，不像IDF標(biāo)準(zhǔn)一樣需要進(jìn)行參數(shù)創(chuàng)建和修改，另外，還可手動添加邊界條件和元器件熱模型。
在將機械設(shè)計(機箱)導(dǎo)入進(jìn)FloTHERMXT時，也具有同樣的優(yōu)點。還是直接從任一主流MCAD工具(Creo、CATIA、NX、SolidWorks等)的原始數(shù)據(jù)中提取模型，不相關(guān)的細(xì)節(jié)則被過濾掉。然后，CFD求解器的一些內(nèi)在功能，就成為提供非?？焖俚姆抡嬷芷谝约白屧O(shè)計師和專業(yè)人員能夠進(jìn)行準(zhǔn)確熱分析的關(guān)鍵。
傳統(tǒng)的CFD工具需要使用者具有高水平的專業(yè)技術(shù)和大量時間來準(zhǔn)備仿真模型。這包括模型的手動清理、求解網(wǎng)格的手動調(diào)整(這個步驟可能需要專職工程師花費數(shù)周時間)以及確保求解收斂的其他改動。使用傳統(tǒng)的CFD，在一個設(shè)計周期可能需要數(shù)周時間來獲取一次仿真結(jié)果。然后，設(shè)計可能還要繼續(xù)進(jìn)行，又需要另一個設(shè)計周期。
使用FloTHERMXT，設(shè)計工程師可進(jìn)行前端分析、把握趨勢、快速解決問題、通過快速求解并對比不同的方案從而取得更大的項目進(jìn)展，以此有效補充專職分析人員在項目后期驗證階段的工作。和傳統(tǒng)CFD軟件相比，可將仿真周期時間從幾周縮短至幾天或一天。設(shè)計師可對比多種設(shè)計方案，開發(fā)出更具競爭力和更可靠的產(chǎn)品，而較短的仿真周期時間則可加快產(chǎn)品上市(圖4)。
圖4擁有一個設(shè)計師和熱專業(yè)人員都可以使用的快速而準(zhǔn)確的熱分析工具(與MDA和EDA相結(jié)合)有助于滿足汽車公司積極的業(yè)務(wù)需求。
