電源模塊進(jìn)行多物理場模擬計算

導(dǎo)讀：在較短的研發(fā)周期內(nèi)，對復(fù)雜的電子產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，將ANSYS Workbench運用到產(chǎn)品研發(fā)中，不失為一種高效的方法。

       在快節(jié)奏的消費電子產(chǎn)品市場上，企業(yè)面臨著壓力，要求縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品的可靠性，快速上架并熱賣。在增加產(chǎn)品復(fù)雜性的同時，研發(fā)周期大大縮短，一個行之有效的方法就是引入CAE仿真軟件。

       引入分析工具，設(shè)計工程師能夠生成物理模型的虛擬結(jié)構(gòu)，基于產(chǎn)品所處于的真實物理環(huán)境，對其進(jìn)行CAE分析計算。引入分析工具可以使產(chǎn)品的復(fù)雜性得以提前驗證，同時也縮短設(shè)計周期。這比傳統(tǒng)上試錯原型的方法要快得多。

       當(dāng)前，很多機構(gòu)已經(jīng)對各類工程學(xué)科采用了模擬過程。傳統(tǒng)上，工程師分別使用流體、熱、結(jié)構(gòu)或電子分析工具來設(shè)計產(chǎn)品的特定方面。然而不同物理場的隔離、斷開，工程師們無法考慮到產(chǎn)品所有的設(shè)計可能會對其他學(xué)科或整個系統(tǒng)造成的影響。

       ANSYS軟件的功能使工程師能夠深入了解特定的多物理現(xiàn)象以及它們之間的相互關(guān)系。電力工程師可以考慮到由于導(dǎo)體的焦耳加熱造成的材料電阻率的變化，可以在CAE軟件中看到電路板內(nèi)的電壓損失、熱流分布。

       通過ANSYS Workbench，可以將結(jié)構(gòu)、熱、流體和電磁場解算器結(jié)合在一起以實現(xiàn)真正的多物理模擬，可以在這些解算器之間自動共享幾何圖元，以考慮場與場之間的耦合影響。

       使用共享幾何圖形，ANSYS Workbench平臺可以建立不同的物理場，專家可以為他們的特定學(xué)科進(jìn)行單一物理模擬，在Workbench下拖動場與場之間的數(shù)據(jù)鏈，可以實現(xiàn)對多個物理場之間的系統(tǒng)級耦合分析。這種協(xié)作設(shè)計模式意味著所有的專業(yè)都可以在模擬的初始階段進(jìn)行處理，而不是在昂貴的原型制造階段或最終生產(chǎn)階段再進(jìn)行測試實驗。

       某電力輸送裝置，在其設(shè)計過程中必須考慮多物理場之間的影響，它必須符合特定的標(biāo)準(zhǔn)才能上架。美國聯(lián)邦通信委員會規(guī)定其必須滿足有關(guān)電氣排放的任務(wù)（FCC）法規(guī)以及公共辦公環(huán)境中的聲噪聲標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品可靠性的熱考慮。在三維有限元電磁場求解器Ansys HFSS中可以模擬電發(fā)射測試，以確定設(shè)計是否通過fcc電磁干擾(Emi)。在這種情況下，HFSS可以幫助設(shè)計者看到，將通風(fēng)配置為較大的槽和更改為較小的圓孔對EMI的影響。

       雖然較小的孔有助于控制EMI，但如果通風(fēng)口狹小，限制了冷卻所需的空氣流量，則可能會給熱管理工程師帶來問題，導(dǎo)致設(shè)備過熱。

       利用Ansys Icepak進(jìn)行熱分析可以建立多種設(shè)計變化的模型，以驗證熱可靠性的需要。Icepak是一種用于建模系統(tǒng)的電子熱管理仿真工具，如集成電路(IC)封裝和印刷電路板(PCB)等等。

       這個軟件使用穩(wěn)健的計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)計算熱流分布，使工程師能夠在冷卻風(fēng)扇運行的同時預(yù)測設(shè)備的內(nèi)部溫度；改變通風(fēng)配置可能需要增加風(fēng)扇速度，以防止過熱。例如，設(shè)備在6瓦的功耗下運行，原始的風(fēng)扇配置必須保持3500rpm的工況，產(chǎn)品最高溫度在110℃的目標(biāo)以下。而對于較小的通風(fēng)口，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速則必須增加到4600rpm，以保持在相同的目標(biāo)溫度以下。

       熱工程師可以和EMI工程師一起，為他們的聯(lián)合設(shè)計目標(biāo)找到最佳解決方案。如果不能選擇提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，EMI工程師可以嘗試不同的通風(fēng)形狀，甚至采用優(yōu)化方法來解決熱和EMI的問題。

        一旦考慮到電磁效應(yīng)和傳熱，就必須考慮氣動聲學(xué)。改進(jìn)通風(fēng)口設(shè)計，提高風(fēng)機轉(zhuǎn)速，解決電磁干擾和散熱問題。但是這些變化可能會影響到設(shè)備在運行過程中發(fā)出的噪聲，消費者不會接受在家里或工作空間中較大的噪音風(fēng)扇，因此熱管理必須讓風(fēng)機保持在低噪音水平上運行。

       ANSYS FLUENT可以通過氣動聲學(xué)CFD分析，模擬得到噪音的分布。人類可聽到噪音源振幅來自壓力。原始設(shè)計的可聽頻率是小于50分貝(dB)的噪聲，其足夠低，可以混合到背景噪聲中。

      電源設(shè)備示意圖：必須滿足電力排放、熱量輸出和噪音水平的具體標(biāo)準(zhǔn)，然后才出售

       HFSS模擬預(yù)測開口對EMI的影響，不符合fcc的規(guī)范在設(shè)備的運行過程中，壓力的湍流波動與風(fēng)機、殼體和電子元件的固體表面相互作用，使其成為噪聲源。Fluent可以用于在給定的頻率范圍內(nèi)生成設(shè)備內(nèi)部噪聲源的三維云圖。風(fēng)扇產(chǎn)生的核心湍流區(qū)與風(fēng)扇葉片、放置在風(fēng)扇附近的大型電子元件相互作用，這種相互作用導(dǎo)致噪音水平升高，解決這個問題需要進(jìn)一步的設(shè)計改變。

   局部空氣壓力的近壁湍流波動所生成的噪聲源空間分布，渦核區(qū)(左)、聲壓水平在500赫茲(右)

        根據(jù)HFSS的預(yù)測，進(jìn)行了兩項設(shè)計更改：

(上圖)替換大風(fēng)扇通風(fēng)口；(下圖)用更多的小圓孔替換側(cè)通風(fēng)槽

     HFSS模擬顯示了通風(fēng)變化對電磁輻射的影響。紅線是最初設(shè)計的電磁輻射，而藍(lán)線是修改設(shè)計后的EMI電磁輻射。

       使用Icepak對原始設(shè)計進(jìn)行模擬，如果保持內(nèi)部溫度在110℃以下，風(fēng)機轉(zhuǎn)速必須在3500RPM

       對優(yōu)化工況（小圓孔散熱孔）要保持在110℃以下，風(fēng)扇速度必須提高到4600 RPM

        原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪音分布曲線通過這個電源模塊的例子可以看出，Ansys Workbench允許工程師用虛擬設(shè)計CAE仿真，來對產(chǎn)品所處的多物理場來進(jìn)行大量的模擬評估。無需費力去做樣機，并對其進(jìn)行測試。通過使用模擬驅(qū)動設(shè)計的過程，使工程師能夠更緊密地協(xié)作和協(xié)作。通過一套業(yè)界領(lǐng)先的解決方案，并在同一個界面下完成協(xié)同工作，Ansys Workbench提供了從系統(tǒng)級別分析多個物理場問題的能力，可以將很多關(guān)鍵問題在產(chǎn)品的設(shè)計階段就及早發(fā)現(xiàn)，并對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)，大大縮短了研發(fā)的周期。

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