搜索Teradici 利用ANSYS Icepak 優(yōu)化外殼散熱，改善PCoIP 零客戶端設(shè)計
2017-06-06 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
公司員工需要訪問數(shù)據(jù)和軟件,不過臺式機或筆記本電腦并非唯一選擇,還可使用PCoIP® 零客戶端(zero client) 實現(xiàn)遠程桌面訪問。零客戶端是一種不帶通用CPU、本地數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、應(yīng)用操作系統(tǒng)和散熱風(fēng)扇的簡易硬件設(shè)備,也就是說是一種具有超高安全性且易于管理和部署的客戶端,適合用于虛擬桌面和遠程工作站環(huán)境。
開發(fā)PCoIP 協(xié)議的Teradici 公司提供的PCoIP 零客戶端能為用戶帶來豐富的計算體驗。這些零客戶端的生態(tài)足跡小,產(chǎn)生的熱量很少,消耗功率相對較低。通過IP 網(wǎng)絡(luò),無論是距托管在數(shù)據(jù)中心中的虛擬桌面或高性能遠程工作站只有幾步之遙,還是身在世界各地,都能輕松訪問。
PCoIP 零客戶端結(jié)構(gòu)緊湊,同時內(nèi)部溫度必須保持在有效工作范圍內(nèi)。零客戶端通常會靠近用戶,因此外殼溫度摸上去不能讓人感到不適。Teradici 的工程師使用ANSYS Icepak 來評估并優(yōu)化了散熱過程,使溫度保持在允許的安全范圍內(nèi)。
熱建模問題
為了將PCoIP 處理器的溫度保持在所要求的工作范圍內(nèi),零客戶端內(nèi)部溫度不得超過100℃ (212℉)。此外其外部溫度應(yīng)低于45℃ (113℉),以免摸上去感覺不適。
憑借豐富的半導(dǎo)體和硬件設(shè)計經(jīng)驗,Teradici 在采納了客戶的反饋后,計劃對使用較小外殼的參考設(shè)計進行調(diào)研。了解到散熱是關(guān)鍵因素,因此工程師轉(zhuǎn)而采用ANSYS 軟件。
為實現(xiàn)可靠的散熱水平,比較常見的方式是在設(shè)備上安放散熱片,并使用風(fēng)扇強制空氣流動。不過自然對流冷卻比強制通風(fēng)要更好,因為這樣無需使用風(fēng)扇而且能確保靜音運行。ANSYS Icepak 可為電子設(shè)備提供基于計算流體動力學(xué)(CFD) 的可靠散熱管理功能,因此,可利用該軟件對整個系統(tǒng)進行熱建模,以研究各種外殼設(shè)計方案。建模內(nèi)容包括采用MCM 倒裝焊接技術(shù)的硅芯片封裝基板、印刷電路板(PCB),采用了不同尺寸、通風(fēng)和方向的不同外殼設(shè)計方案,以及不同的內(nèi)部熱源。
在ANSYS Icepak 中建模的PCoIP 零客戶端PCB 銅線跡,基板上裸片作為熱源,有兩個DRAM器件、一個閃存器件和一個音頻編解碼器。
導(dǎo)入模型
Teradici 工程師使用業(yè)界標準封裝設(shè)計工具生成基板設(shè)計,并使用ALinks for EDA 將設(shè)計導(dǎo)入Icepak?？蓪⒌寡b芯片設(shè)計看作是微型八層PCB。Icepak分析基板中復(fù)雜的銅線跡。裸片產(chǎn)生的熱量通過銅線跡傳遞到封裝焊球,然后再經(jīng)焊球傳遞到主PCB。
工程師還可將PCB 設(shè)計導(dǎo)入Icepak。類似于基板設(shè)計,開發(fā)團隊使用Icepak 分析六層PCB 的銅線跡。由于時間限制,未對模型中的焦耳熱進行分析。團隊計劃以后利用ANSYS SIwave 仿真分析了電子封裝的功耗和信號完整性,進而分析包含這一額外熱源在內(nèi)的PCB 電氣屬性。
利用協(xié)同仿真將電與熱物理學(xué)耦合,能提供更高的熱與功率/ 信號可靠性。
在ANSYS Icepak 中建模的PCoIP 零客戶端PCB 銅線跡,基板上裸片作為熱源,有兩個DRAM器件、一個閃存器件和一個音頻編解碼器。
外殼組件的簡化網(wǎng)格
初始分析
帶封裝散熱器、無外殼的初始Icepak 自由空氣仿真
任何CFD 問題都需要將系統(tǒng)分解為一系列計算單元,該過程稱為網(wǎng)格剖分。選擇ANSYS Meshing 是關(guān)鍵,這樣就能盡量減少模型中計算單元的數(shù)量并且確保最快的分析速度。在產(chǎn)品的重要區(qū)域使用精細網(wǎng)格,以精確捕捉可影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵對流特性。將幾何結(jié)構(gòu)簡化為立方體可進一步減少計算單元數(shù)。
在執(zhí)行首次熱分析時,可對PCB 上視為平面熱源的相應(yīng)區(qū)域進行功耗(單個組件產(chǎn)生的熱)估計,或?qū)M件進行功耗估計。主要熱源是中間的PCoIP 主處理器。
在一個較新的PCB 系統(tǒng)實例中,工程師為PCoIP 處理器組件添加了一個六層的鋁制散熱片。為PCB 加裝外殼勢必會增加裸片溫度,但是工程師需要使溫度維持在100 ℃ (212℉)以下。因此他們在外殼上增加了一些通風(fēng)孔以改善空氣循環(huán),從而加強裸片及其它內(nèi)部組件的冷卻。不過這會在外殼上形成局部熱點。為確定最高效的通風(fēng)孔設(shè)計,開發(fā)團隊需要對各種外殼方案進行仿真。
利用參數(shù)實現(xiàn)最優(yōu)化
應(yīng)對整個系統(tǒng)的多種不同參數(shù)和情況進行建模,如格柵尺寸/ 布置、外殼厚度、外殼材料、PCB 與外殼間的空氣分離、器件源功率、氣流和環(huán)境溫度。Icepak 的參數(shù)化功能可以控制很多這樣的參數(shù),從而使多仿真任務(wù)的執(zhí)行變得簡單。
電磁干擾(EMI) 也是設(shè)計外殼時需要考慮的問題。在理想情況下,整個設(shè)計(包括外部電氣連接)應(yīng)該密封在法拉第籠內(nèi),以最大程度減少EMI。不過,這樣無法在熱源與外界間提供散熱通道。工程師再次使用Icepak 的數(shù)化功能對散熱孔尺寸和位置進行虛擬實驗。這樣便可運行數(shù)百次設(shè)計情景仿真以生成可供后續(xù)分析用的數(shù)據(jù)。
ANSYS Icepak 參數(shù)化選項實例
驗證實際結(jié)果
為了驗證Icepak 模型的精確性,可對不同外殼原型進行3D 打印,并利用熱成像儀測量PCB 上硅芯片以及外殼表面的熱點溫度。開發(fā)團隊注意到連接零客戶端的線纜可將熱量從外殼散去,很好地起到散熱器的作用。直接連到PCB 的金屬連接器也提供了主要的外殼散熱途徑,有助于將目標系統(tǒng)溫度保持在45℃ (113℉) 的最大表面溫度以下。
為了提高Icepak 模型的精確性,工程師創(chuàng)建了一個包含線纜以及連接器的簡單模型以便與熱成像儀的結(jié)果進行比對。針對簡化外殼的Icepak 仿真重現(xiàn)了熱成像儀的結(jié)果。仿真與模型和功能系統(tǒng)的良好相關(guān)性使開發(fā)人員對建模有了足夠信心,也就無需再針對其他外殼重復(fù)快速原型設(shè)計工作。
覆蓋熱成像儀圖像的3D 打印外殼熱成像儀圖像
Icepak 溫度仿真顯示線纜的散熱以及PCB 上器件的熱點(機殼內(nèi)“R”和“A”開孔的下方)
熱對流形式
外殼內(nèi)部以及周圍的熱流詳細信息有助于通風(fēng)孔布置。應(yīng)利用水平和垂直布置的不同通風(fēng)孔設(shè)計方案對外殼仿真模型進行測試。垂直布置方式所形成的對流冷卻和煙囪效應(yīng)說明適中的通風(fēng)孔就可實現(xiàn)可接受的外殼溫度。
外殼中間薄片區(qū)域的氣流矢量(左圖)和溫度圖(右圖)
總結(jié)
經(jīng)證明,ANSYS Icepak 及其參數(shù)化功能在確定零客戶端的不同設(shè)計方案時非常有用,包括用來實現(xiàn)器件溫度和外殼表面溫度最小化的最佳方法。Icepak 能對系統(tǒng)中的復(fù)雜熱流進行成功建模,包括PCoIP 處理器(主要熱源)從裸片通過基板再到PCB 的熱傳遞,以及通過外殼的熱傳遞。仿真還有助于快速分析不同的外殼方向和通風(fēng)方案。
Teradici 認識到了ANSYS 技術(shù)的優(yōu)勢,有助于為PCoIP 零客戶端功能外殼設(shè)計制定出最佳實踐方法。在3D 打印模型與仿真結(jié)果之間建立良好的關(guān)聯(lián)為人們提供有利機會,有助于設(shè)計出更小型更高效的設(shè)備外殼。
出處:tech.simwe.com
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